江西洪屏抽水蓄能電站減小鋼岔管焊接殘余應力淺析

張忠和，熊 濤，楊 雄

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

江西洪屏抽水蓄能電站減小鋼岔管焊接殘余應力淺析

張忠和，熊 濤，楊 雄

（江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西省靖安縣 330603）

通過分析江西洪屏抽水蓄能電站引水系統鋼岔管水壓試驗前、后焊接殘余應力測試數據的分析，總結減少焊接殘余應力提高焊縫機械性能的現場施工經驗。

鋼岔管；高強鋼焊接；殘余應力分析

0 引言

江西洪屏抽水蓄能電站輸水系統由引水系統和尾水系統兩部分組成，引水系統采用一洞兩機布置方式。引水隧洞從上豎井上彎段開始采用鋼管襯砌，直徑為φ5.2～φ2.1m；兩條引水隧洞在地下廠房上游約80m處設有2個引水鋼襯岔管（簡稱“鋼岔管”），將2條引水隧洞分岔為4條高壓支管。鋼岔管采用對稱Y形內加強月牙肋型，分岔角為70?，主管直徑4.4m，支管直徑3.0m，設計內水壓力5.84MPa，鋼板壁厚54mm，月牙肋壁厚120mm，材質為B780CF型800MPa級高強鋼。

1 鋼岔管制作

主機設備制造單位負責完成鋼岔管的管節制作、大節拼裝、整體預組裝、部件運輸包裝、臨時內支撐及質量檢查和驗收等工作，并負責采購制造鋼板及現場所用焊接材料。鋼岔管分節運輸到現場后由施工單位負責整體組裝、焊接、壓水試驗及有關測試等工作。

2 壓水試驗及測試

2.1 試驗測試內容

試驗測試內容包括：①壓水試驗前后的焊接殘余應力測試；②壓水試驗應力測試；③壓水試驗變形測試；④鋼岔管體積變形曲線測試；⑤壓水試驗過程中管內水溫測試。

2.2 試驗環境條件

（1）環境溫度不低于10℃，水溫不低于5℃。

（2）水壓試驗最高壓力為6.09MPa，壓力等級為2.0、4.0、5.84、6.09MPa，每個壓力循環升壓至頂部停留30min，降壓停留15min，循環做2次。

2.3 加壓系統

水壓試驗加壓系統由排氣系統、充水系統、排水系統以及增壓系統等組成，在增壓系統管路及1號岔管安裝有G1和G2兩個壓力表，增壓系統由1臺壓力泵、1臺試壓泵、各種閥門、壓力表及管路組成。

2.4 試驗前后焊接殘余應力測試

（1）測試方法：壓痕應變法。

圖1 水壓試驗前后殘余應力測試區域分布示意圖

（2）測試設備：KJS-3型應力測試系統，應變計型號為BE120-1BA（11）-ZKY。

（3）測點布置。根據試驗方案要求并結合岔管特征，試驗前、后焊接殘余應力測試部位分布在2號岔管下半部具有代表性的焊縫及其附近區域，共布置了A、B、C、D、E五個測試區域，區域A布置3個測點、區域B布置4個測點、區域C布置3個測點、區域D布置4個測點、區域E布置3個測點。岔管內壁和外壁對稱布置，共布置34個測點，具體測試區域如圖1所示。

（4）測試時機。岔管充水前測試1次，水壓試驗后，排干管內的水再測試1次。

3 試驗前后焊接殘余應力測試結果及分析

3.1 測試結果

鋼岔管水壓試驗前、后，焊接殘余應力測試數據見表1。

3.2 測試結果分析

（1）岔管設計為外坡口，內環縫殘余應力大于外坡口，在岔管運行時，內水壓力增大，外環縫呈受拉狀態，對焊縫受力結構有利。

（2）鋼岔管內壁、外壁對稱設置監測點各17個，每個點各分σx、σy兩個受力方向監測。

（3）內壁水壓試驗前，殘余應力超過屈服強度670MPa的點數，分別是σx=8處、σx=7處，占整個檢測總量17點的比例為σx=47.1%、σx=41.2%；水壓試驗后：內壁殘余應力超過屈服強度點數，是σx=3處和σy=2處，占整個檢測總量17點的比例為σx=17.6%、σy=11.8%。水壓試驗前后分別降低29.5%和29.4%。殘余應力σx、σy下降比例基本一致。

外壁水壓試驗前，殘余應力超過屈服強度670MPa點數，都是3處，即σx=σy，占整個檢測總量17個點的比例都是σx=σy=17.6%；水壓試驗后，外壁殘余應力超過屈服強度的點數，是σx=2處、σy=0處，占整個檢測總量的比例是σx=11.8%、σy=0%；水壓試驗前、后分別降低5.8%和17.6%。外壁殘余應力σx、σy下降較明顯，殘余應力超過屈服強度670MPa點數較少，外壁減低至沒有殘余應力超過屈服強度670MPa點數。證明焊接殘余應力在800MPa鋼材的抗拉強度極限范圍之內，可以保障鋼岔管安全、穩定的運行。

表1 水壓試驗前后焊接殘余應力測試結果 MPa

（4）水壓試驗前內壁殘余應力，σx最大值=759MPa，σx平均=667.18MPa；σy最大=809MPa，σy平均=643.41MPa。經水壓試驗后，σx最大=737MPa，σx平均=588.82MPa；σy最大=723MPa，σy平均=557.41MPa。數據對比說明：水壓試驗前后，殘余應力超過屈服強度峰值數量銳減并普遍降低，殘余應力平均值下降至不超過屈服強度670MPa。說明焊接殘余應力值較低，水壓試驗削峰效果明顯，焊接質量優良。

4 減小焊接殘余應力措施

從表1統計數據可以看出焊縫具有優良的機械性能，現場焊接工藝的嚴格控制使得焊縫質量優良。主要采取多項舉措，得以降低、減少焊縫殘余應力。

4.1 焊接前預熱

高強鋼焊接裂紋和熔合區脆化是首要問題，高強鋼的焊接熱影響區裂紋因素，和鋼材化學成分、融敷金屬中氫含量、結構約束力等因素有關。預熱主要是防止焊接裂紋的發生，針對具體材料和施工環境，預熱方法是有差異的，過度的預熱不僅增加電焊工的疲勞程度，還會擴大熱影響區范圍，人為的提高焊接層間溫度，對焊縫不利。所以，要綜合考慮所選用的鋼種材料的可焊性、焊接工藝、焊接條件和環境等影響因素，選擇合適的焊接預熱溫度。如某電站2號機組蝸殼焊接時，預熱溫度要求在100～150℃之間，由于溫控設備損壞而采用人工調節，每天焊接8～12h，停止焊接時溫控要求達100℃，夜間抽查個別點不足40℃。焊接后經無損探傷檢測，出現裂紋、未融合、夾渣等缺陷。后經分析：預熱和保溫造成的溫差較大、冷熱溫度波動太頻是造成焊接缺陷的主要原因。所以強調焊前預熱的均勻性及溫控的嚴格性，不可因預熱不當而引起焊接缺陷。

鋼岔管焊接預熱采用遠紅外線電加熱板加熱，現場預熱溫度控制在80～100℃，環境溫度在22～25℃之間，每30min測量并記錄一次，包括焊接的層間溫度在內的溫度監測控制，每一環縫測量8個點位，在加熱鋼板背面的環縫兩邊的50mm處測量，并且每次測量記錄后，及時分析、及時調整焊接參數及焊接溫度。預熱溫控效果最終達到目的，對焊縫的質量，尤其是焊縫的機械性能有利。所以，針對不同焊接條件，選擇合適有利的預熱溫度。

《水電水利工程壓力鋼管制造及安裝規范》（DL/T 5017—2007）中相關條款規定高強鋼預熱溫度在100～150℃。由于我國地域廣闊南北方溫差較大，若環境溫度高于25℃時，建議預熱溫度在80～100℃就可以滿足高強鋼焊接技術要求，如果預熱溫度偏高會造成焊接層間溫度升高或線能量增高的趨勢，所以，只要能達到除濕效果和預熱表面受熱均勻，預熱溫度還是不要偏高。這在焊縫殘余應力測試結果分析中也能得到證實。

4.2 定位焊接

間斷焊接的定位焊大多采用火焰加熱方法預熱，尤其是厚板預熱，不要只看到表面溫度較高，掌握預熱時間和溫度，達到熱透且預熱均勻狀態是要點，要將定位焊接部位周邊范圍擴大，定位焊接預熱比正常焊縫的預熱溫度提高20～30℃較為適宜，使得預熱效果良好，真正起到焊縫預熱的作用。現場施工定位焊接，往往以為定位焊接在刨背縫時可以清除干凈的，表面簡單的烘烤是不能夠達到預熱均勻狀態的，會造成定位焊接產生裂紋及延遲裂紋的隱患，若已經產生裂紋或傷及母材部分沒有清除干凈，造成裂紋源隱患殘留，對焊縫質量影響和危害是很大的，這是控制焊接質量的主要因素之一。所以，高強鋼定位焊接的焊縫長度一般在80～100mm，且至少焊兩層，厚度不宜大于8mm，定位焊接的間距控制在300mm。正式焊縫焊接前，要仔細檢查，必要時應進行無損探傷檢驗，方可進行下道工序的焊接工作。

4.3 控制氫含量

由于現場條件差焊縫濕氣太重或者殘留水分等因素引發氫析出殘留及焊材中的氫擴散，均可成為冷裂紋形成的原因之一。在選配優良且匹配焊材的同時，確保焊材烘烤、發放等環節的質量，盡量使焊縫擴散氫降低至不能致裂標準以下，進而保證焊縫質量。對于高強鋼來講：低氫焊條擴散氫含量不超過1.6cm/100g，消除焊接裂紋的危害。在焊接現場除濕的大環境下，注重施焊細小環節，清掃焊縫坡口，預熱除濕，還有焊材烘干和使用的規范化，采取相應的措施才能使氫含量降低至不能致裂的標準以下。

4.4 控制線能量

焊接過程線能量的增高，意味著焊縫內應力增大，殘余應力增高的幾率加大，采用多層多道的焊接工藝和控制預熱溫度及層間溫度的方法，將線能量這個綜合指標焊接熱輸入數量，控制在穩定的可控區間，就可基本保證和提高焊接質量。

高強鋼焊接，每道焊縫采取一次性連續焊接完成，可以避免焊縫溫差變化大而引起的焊接缺陷，對稱、勻速的焊接也是保證焊縫收縮均勻、減少殘余內應力的必要措施之一。

嚴格控制每道焊縫的焊角高度，一般在6～8mm，焊道寬度不大于（φ4.0焊條）16mm，遵循多層多道的焊接工藝。將焊接電流控制在170A左右，層間溫度在（180±10）℃較為合適，這樣線能量可基本控制在20～35kJ/cm之間，可很好地控制焊接殘余應力的產生和積累，對防止熔合區脆化是有益的。

4.5 減小組裝間隙

焊縫對裝間隙盡量的小且均勻，只要保證焊縫的對裝質量，沒有或減少過渡焊接現象，焊縫的焊量控制得當，其殘余應力基本就不會超過鋼材的屈服強度；某抽水蓄能電站引水鋼岔管的焊接殘余應力測試結果可作證明：在2007年12月23日～ 2008年1月2日期間，所測161組數據統計結果分析，焊縫總體殘余應力平均值為：σx=481.02MPa、σy=489.20MPa。但是岔管和縱縫的殘余應力為：σx=573.19MPa、σy=652.57MPa。若鋼岔管對裝間隙局部過大或者不均勻，有過渡焊縫焊接的，因為焊接量較大，殘余應力一般都達到800MPa，甚至更高。該電站在2008年9月，距前一次約9個月的充水實驗后，再一次檢測殘余應力，其結果對比來分析：（因為檢測現場影響，本次只測到58組數據），焊縫總體殘余應力平均值為：σx=486.67MPa、σy=488.07MPa。最大 /最小殘余應力峰值為：σx=813/71MPa、σy=837/102MPa。而充水前最大/最小殘余應力峰值為：σx=1057MPa /191MPa、σy=1088MPa /74MPa。通過比較：殘余應力平均值變化較少，峰值變化卻很顯著，由此證明通過時效和充水試驗削峰作用明顯，大大改善焊縫殘余應力分布、優化焊縫受力結構。經過多年的發電運行，引水鋼岔管運行安全穩定。所以，努力實現焊縫的對裝質量，減少焊縫的焊接填補量，焊縫殘余應力就會減少。

4.6 缺陷及時返修

焊接缺陷返修處理時，解除和釋放約束力，降低焊縫的內應力，避免因多次返修而造成的焊縫殘余應力增大及多次受熱加重焊縫熱疲勞強度。我國以往所發生的鋼管及壓力容器質量事故中，其根本原因有相當一部分與焊縫多次返修有關。在焊接過程中，存在著或多或少的各類缺陷，經過消缺后，大多數缺陷可以消除而不會影響焊縫質量。但是有些缺陷對焊縫質量有著根本性的影響，主要有這么幾個方面問題：由于高強鋼屈服強度比較高且塑性較低，是多合金元素的產物，所以電弧擦傷，會使高強鋼母材產生殘余應力拘束以及微裂紋（施工中常說的雞爪紋）等擊傷缺陷。著重強調高強鋼焊接，注意無謂的電弧擦傷，會引起不規則的“雞爪”狀的裂紋源，打磨處理前要加熱，杜絕和減少電弧擦傷的出現。硬物擊傷（包括高強鋼上面擊打的洋沖眼）及吊鉤撞擊、錘擊等，可導致該處傷痕冷作硬化產生塑性降低和裂紋發生。碳弧氣刨是一項工藝復雜、有一定的技術含量的工作，尤其是高強鋼的制造和安裝，操作不當會引起滲碳嚴重或焊縫凹凸不平，直接影響焊縫質量。所以高強鋼定位焊接不許殘留在焊縫內，就是靠碳弧氣刨工序來完成。由此高強鋼鋼管制造、安裝要求是極嚴格的，控制焊縫的殘余內應力也是必須的和重要的。

對于高強度調質鋼來說，焊縫過熱區反復加熱會造成晶粒組織粗大或產生如馬氏體這樣不利的金相組織，會降低接頭韌性和強度。日本住友株式會社鋼材的技術說明書就明確指出：“同一部位焊縫返修原則上僅限1次”。DL/T 5017—2007規范第6.5.4條也明確規定：高強鋼返修不宜大于1次。最大限度地控制焊接加熱次數，控制焊接達到不返修，也是控制焊接內應力減少的方法之一。

4.7 降低拘束應力

在焊接過程中解決淬硬組織的形成、拘束應力的降低等問題。須重視消除焊縫的殘余應力，選擇符合所用鋼材特性的消除殘余應力方法，真正達到殘余應力均勻分布的效果。

表2 蒲石河抽水蓄能電站鋼管焊接縱縫殘余應力檢測結果表

5 焊縫消應措施

5.1 溫控消應

升溫消應的溫度控制不容易掌控，某抽蓄電站高強鋼采用日本住友株式會社所產600MPa級高強鋼SUMITEN610-TMC和800MPa級高強鋼SUMITEN780，均為調質回火鋼材，其要求后熱消氫最高溫度不超過230℃，就是防止因后熱過程加熱和冷卻不當增大殘余應力，導致再熱裂紋發生。加熱消應處理時，后熱消應溫度較高，規范建議數據為580～650℃，稍有不慎，就會引起惡化或者傷及鋼材金相組織，降低了焊縫的機械性能。所以一般不提倡加熱消應處理的。

5.2 爆破消應

焊接殘余應力的重新分布與消應工程：消除焊接殘余應力方法有熱處理消應、爆破消應、機械振動消應等方法。十三陵抽蓄鋼管焊接時，中國水利水電第一工程局有限公司聘請的沈陽部隊爆破專業隊伍，進行消應處理，效果良好。但是，爆破消應缺點也是存在的，因為殘余應力峰值不容易選擇準確，爆破消應削峰的準確性也在降低。其二，爆破消應后殘余應力不均勻程度偏差較大，局部消應效果明顯，也難免有遺漏。其三，殘余應力重新分布，在體積和形狀效應影響下，還會有新的峰值存在，甚至個別峰值還會增加。也就是說，消應不徹底，依據能量守恒定律，殘余應力不會消失，而是重新分布。因而，蒲石河抽水蓄能電站鋼管做了部分爆破消應，效果不甚理想，消應效果見表2。

按照檢測數據統計分析，鋼管縱縫焊接殘余應力超過屈服強度點數和比列在σx=24.1%、σy=22.4%，質量是比較優良的；若經充水試驗后，會達到10%左右，甚至會更低，電站運行是安全的。

5.3 機械振動消應

洪屏抽水蓄能電站鋼岔管焊接，采用機械振動消應，在控制焊接熱輸入的同時，每道焊縫要做到風鏟振動消應均勻，降低殘余應力峰值，提高焊縫質量。這項工作嚴謹、易操作，但是關鍵在于堅持持久，工作較繁瑣。每層每道焊縫都要進行消應，振動消應2～3次的同時，焊縫也得到修整、降溫（使層間溫度下降、減少熱輸入量）。經洪屏抽水蓄能電站鋼岔管水壓試驗前后殘余應力檢測數據對比，說明風鏟振動消應效果是顯著的。具體的做法是：用鴨嘴風鏟在每道焊縫表面清理過程中，盡量將焊縫的表面振動達到2～3遍，在層間應力較小及溫度沒有完全冷卻的時候，進行均化應力并及時排除和釋放應力，使焊縫殘余應力得到消除、均化、釋放，達到消除或降低殘余應力的目的，實現焊縫殘余應力普遍較低的成果。這項堅持、細致、耐心地做好每一道焊縫的消應工作，是積小功而獲大益的結果。在工期緊張的工程，也是不容易做到的，這也是機械消應的缺點。

6 減少焊接殘余應力的體會

（1）鋼管和鋼岔管、蝸殼等鋼結構產品，不論是水壓試驗前后，還是引水道充水試驗前后，其殘余應力重新分布，削峰效果是較明顯的。其下降比例約30%，削峰數值符合鋼材特性。但是，短時間的時效結果不顯著。

（2）慎密、嚴格地做好適應現場環境的焊接工藝評定，擬訂合理的焊接規程；強調并推薦生產性焊接試板試驗，以驗證焊接工藝評定試驗合格的實用性和可靠性。

（3）焊接過程應嚴格執行焊接工藝設計，是控制焊接殘余應力的關鍵。同時也包括了各種方法的無損探傷檢驗，是焊接質量保證的主要手段。但是要想優化焊縫的機械性能，還要在焊接過程工藝控制上面下工夫，降低熱輸入、減少拘束應力、避免擴散氫含量等焊接過程，就是焊縫機械性能優化的過程。

（4）焊接的消氫、消應工作。通過殘余應力測試統計、分析、對比，說明殘余應力是消除不了的，只能是重新分布，削其峰值而降低其危害，最佳選擇就是焊接過程控制，推薦焊縫層間機械振動消應，從根本上解決和改變焊接殘余應力的存在，使殘余應力分布更合理，達到優化焊縫機械性能的目的。

國內抽蓄電站大部分都做了焊縫殘余應力檢測，從概率統計來分析，其殘余應力存在和應力存在大小的趨勢，是符合鋼材理論特性，消應及應力重新分布都有它的規律性，掌握和分析其特性理論和規律，便于解決、優化焊縫機械性能，使我們能夠掌控焊縫的殘余應力存在情況，克服和減少焊接缺陷的存留，使焊縫更加優越。

張忠和（1953—），男，本科，高級工程師，從事水電站機電安裝及金屬結構制造安裝與高強鋼焊接等技術和管理工作。E-mail：284259025@qq．com

熊 濤（1982—），男，本科，工程師，從事水電站檢修與技術管理工作。E-mail：421980291@qq．com

楊 雄（1987—），男，本科，工程師，從事水電站維護與技術管理工作。E-mail：624757452@qq．com

Reduce residual Stress on the Steel Bifurcation for Jiangxi Hongping Pumped Storage Power Station

ZHANG Zhonghe，XIONG Tao，YANG Xiong
（Jiangxi hongping pumped storage power Co. Ltd，Jing’an 330603，China）

Through the analysis of Jiangxi Hongping pumped storage power station steel bifurcation hydraulic test before，after the analysis of welding residual stress test data，summarize the reduced drop welding residual stress to improve the construction experience of mechanical property of weld seam.

steel bifurcation; welding of high strength steel;residual stress analysis