呼和浩特抽水蓄能電站高強(qiáng)鋼岔管殘余應(yīng)力測(cè)試與研究

余健，劉蕊

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

呼和浩特抽水蓄能電站高強(qiáng)鋼岔管殘余應(yīng)力測(cè)試與研究

余健，劉蕊

（中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管首次采用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)B780CF高強(qiáng)鋼制造，HD值達(dá)到4140m·m，是我國(guó)目前在建和已建水電工程HD值最大的鋼岔管。采用X射線衍射法對(duì)鋼岔管的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成果為水道系統(tǒng)充水及鋼岔管的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)分析和檢驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)也可以為工程應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外同類型電站鋼岔管的制安有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

鋼岔管；X射線衍射法；殘余應(yīng)力

1 工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的大青山區(qū)，工程由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及下水庫(kù)等建筑物組成，總裝機(jī)容量為1200MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵 水輪機(jī)組。水道系統(tǒng)由上水庫(kù)進(jìn)出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓井、壓力管道、尾水隧洞和下水庫(kù)進(jìn)出水口組成，引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)直進(jìn)直出廠房的布置方式，機(jī)組額定水頭521m。分別在距廠房上游邊墻65m和50m處布置兩個(gè)高壓鋼岔管，鋼岔管采用對(duì)稱“Y”形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，分岔角70°，設(shè)計(jì)水頭906m，HD值達(dá)到4140m·m，是我國(guó)目前在建和已建水電工程HD值最大的鋼岔管[1]。呼蓄電站鋼岔管首次采用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)B780CF高強(qiáng)鋼制造，管殼設(shè)計(jì)板厚70mm，月牙肋設(shè)計(jì)板厚140mm，是目前國(guó)產(chǎn)鋼材強(qiáng)度級(jí)別最高、鋼板厚度最大的高壓鋼岔管。

2 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生、危害及測(cè)試方法

2.1 焊接殘余應(yīng)力的機(jī)理

焊接過(guò)程中，局部熱輸入是產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力與變形的決定性因素。而熱輸入是通過(guò)材料、制造和結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的內(nèi)拘束度和外拘束度而影響熱源周圍的金屬運(yùn)動(dòng)，最終形成焊接應(yīng)力的變形。在焊接溫度場(chǎng)中，熱膨脹系數(shù)、彈性模量等材料特性呈現(xiàn)出決定熱源周圍金屬運(yùn)動(dòng)的內(nèi)拘束度。制造因素（工藝措施、夾持狀態(tài)）和結(jié)構(gòu)因素（構(gòu)件形狀、厚度及剛性等）則更多地影響著熱源金屬的外拘束度。隨焊接熱過(guò)程而變化的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)件變形，稱為焊接瞬態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變[2]。而焊后，在室溫條件下殘留于構(gòu)件中的內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)和宏觀變化，稱為焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形。

焊接工程中的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力并不是兩種孤立的現(xiàn)象。兩者之間的聯(lián)系是有機(jī)的，它們同時(shí)存在于同一焊件，相輔相成而又相互制約。焊接過(guò)程其實(shí)就是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過(guò)程，但由于不均勻溫度場(chǎng)，導(dǎo)致焊件不均勻地膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力和材料的應(yīng)變。

2.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼岔管的影響

（1）對(duì)鋼岔管強(qiáng)度的影響。如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在焊縫缺陷，而焊接又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果在應(yīng)力集中處存在殘余拉應(yīng)力，則焊接殘余拉應(yīng)力將使鋼岔管的疲勞強(qiáng)度降低[3]。

（2）對(duì)鋼岔管剛度的影響。焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力相疊加，可能使焊件局部提前屈服產(chǎn)生塑性變形，焊件的剛度會(huì)因此而降低。

（3）對(duì)穩(wěn)定性的影響。焊接殘余應(yīng)力與外載所引起的應(yīng)力相疊加，可能使結(jié)構(gòu)局部屈服或局部失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性將因此而降低。

（4）對(duì)耐腐蝕性的影響。焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力一樣也能導(dǎo)致焊縫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.3 焊接殘余應(yīng)力測(cè)試方法分析

焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量方法可分為機(jī)械釋放破壞性測(cè)量法和非破壞無(wú)損傷測(cè)量法兩種。機(jī)械釋放測(cè)量法，是將具有殘余應(yīng)力的部件從構(gòu)件中分離或切割出來(lái)使應(yīng)力釋放，然后測(cè)量其應(yīng)變的變化求出殘余應(yīng)力[4]。主要包括小孔應(yīng)力釋放法、取條法、切槽法、剝層法等破壞性方法和壓痕電測(cè)法等。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單，但對(duì)構(gòu)件造成損傷，在高強(qiáng)鋼岔管上不允許采用。非破壞性方法，包括X射線衍射法、中子衍射法、磁性法、超聲波法、電子散斑干涉法等[5]。它對(duì)被測(cè)構(gòu)件無(wú)損害，但對(duì)測(cè)試工作的技術(shù)條件要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大。根據(jù)呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管工程的技術(shù)特點(diǎn)，決定采用X射線衍射法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力。

X射線對(duì)晶體晶格的衍射發(fā)生干涉現(xiàn)象，通過(guò)測(cè)出晶格的面間距，確定被測(cè)構(gòu)件的殘余應(yīng)力。它的優(yōu)點(diǎn)是可以測(cè)量出應(yīng)力的絕對(duì)值，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，重復(fù)性、再現(xiàn)性好。采用X射線衍射法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力，可以針對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件在不同狀態(tài)下，對(duì)同一被測(cè)區(qū)域和測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，對(duì)于需要比較焊接殘余應(yīng)力峰值降低效果評(píng)價(jià)的場(chǎng)合，這是其他測(cè)試殘余應(yīng)力方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。尤其是再現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)性最大誤差不大于20MPa[6]。例如，被測(cè)結(jié)構(gòu)件在載荷試驗(yàn)、時(shí)效處理和熱處理過(guò)程前、后的不同狀態(tài)，焊接殘余應(yīng)力分布情況的比較，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格地限定于被測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)比較，但是傳統(tǒng)的測(cè)試方法無(wú)法滿足測(cè)試點(diǎn)再現(xiàn)測(cè)量的要求，不能合理、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)被測(cè)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力峰值降低效果，因此傳統(tǒng)的測(cè)試方法如小孔應(yīng)力釋放法、取條法、切槽法、剝層法等破壞性方法和壓痕電測(cè)法難以滿足鋼岔管焊接殘余應(yīng)力峰值降低評(píng)價(jià)的要求[7]。

3 鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測(cè)試方案

3.1 布置測(cè)區(qū)

測(cè)試部位按焊縫分布情況確定，用油漆標(biāo)記出測(cè)試部位并編號(hào)，所有被測(cè)部位不得有涂層、飛濺及污物。1號(hào)岔管外壁布置了6個(gè)測(cè)區(qū)；2號(hào)岔管內(nèi)壁布置1個(gè)測(cè)區(qū)，外壁布置了6個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)分別包含焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)的測(cè)點(diǎn)。

3.2 測(cè)區(qū)表面處理

對(duì)各測(cè)區(qū)表面進(jìn)行表面處理，劃定測(cè)量區(qū)域，用角向磨光機(jī)磨平測(cè)區(qū)焊縫余高，用拋光輪精細(xì)打磨，用飽和鹽水作電解質(zhì)進(jìn)行電解拋光，直至消除磨痕，并清晰地分辨出焊縫、熔合線和熱影響區(qū)。

3.3 測(cè)點(diǎn)標(biāo)記

每個(gè)測(cè)區(qū)按垂直焊縫的方向標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)至少包含焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)，對(duì)稱焊縫縱向軸線標(biāo)記，如圖1和圖2所示。δx表示與焊縫方向平行的焊接殘余應(yīng)力，δy表示與焊縫方向垂直的焊接殘余應(yīng)力。

圖1 環(huán)縫和縱縫測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 1 Arrangement of measuring points in girth and longitudinal seam area

圖2 T形接頭測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 Arrangement of measuring points in T-joint seam area

4 鋼岔管水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測(cè)試成果與分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求，鋼岔管制作完成后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼岔管的水壓試驗(yàn)，并進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試等工作。水壓試驗(yàn)工況按明管載荷，岔管腰線最大內(nèi)水壓力按9.06MPa控制。水壓試驗(yàn)升壓過(guò)程中，5MPa以內(nèi)按1MPa加壓分級(jí)，加壓速度以不大于0.3MPa/min為宜，當(dāng)壓力大于5MPa以上時(shí)，按0.5MPa加壓分級(jí)，加壓速度不大于0.2MPa/min為宜，每個(gè)保壓段保壓時(shí)間10～15min，最后升壓到9.06 MPa保壓30 min，完成一次水壓試驗(yàn)的全過(guò)程約360 min。岔管水壓試驗(yàn)完成后，通過(guò)增壓系統(tǒng)的溢流控制閥以不大于0.5MPa/min的速度分級(jí)卸至鋼管內(nèi)水的自重壓力，再打開(kāi)鋼管段上端的呼吸管閥門后，進(jìn)行排水作業(yè)。

2012年9～11月，呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)前后，對(duì)鋼岔管的13個(gè)不同典型部位共計(jì)95個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試平行于焊縫（σx）和垂直于焊縫（σy）兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力。鋼岔管水壓試驗(yàn)前后焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

從表1和表2可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

（1）鋼岔管水壓試驗(yàn)后，各測(cè)點(diǎn)x方向和y方向平均殘余應(yīng)力均有下降，其中1號(hào)岔管x方向平均殘余應(yīng)力消除率達(dá)34.51%，y方向平均殘余應(yīng)力消除率達(dá)44.34%；2號(hào)岔管x方向平均殘余應(yīng)力消除率達(dá)23.47%，y方向平均殘余應(yīng)力消除率達(dá)32.80%。從殘余應(yīng)力測(cè)試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，高壓鋼岔管通過(guò)水壓試驗(yàn)，其殘余應(yīng)力重新分布，削峰效果較明顯。

（2）本次鋼岔管的焊接殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)主要布置在外壁，1號(hào)岔管外壁6個(gè)測(cè)區(qū)，共44個(gè)；2號(hào)岔管外壁6個(gè)測(cè)區(qū)，共44個(gè)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)壁1個(gè)測(cè)區(qū)，共7個(gè)測(cè)點(diǎn)。

1號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前：殘余應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度690MPa的點(diǎn)數(shù)，分別為σx=5個(gè)，σy=0個(gè)，占整個(gè)檢測(cè)總量44點(diǎn)的比例為σx=11.4%，σy=0%；水壓試驗(yàn)后：殘余應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度點(diǎn)數(shù)，分別為σx=0個(gè)，σy=0個(gè)，占整個(gè)檢測(cè)總量44點(diǎn)的比例為σx=0%，σy=0%。

2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前：殘余應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度690MPa的點(diǎn)數(shù)，分別為σx=0個(gè)，σy=1個(gè)，占整個(gè)檢測(cè)總量51點(diǎn)的比例為σx=0%，σy=2.0%；水壓試驗(yàn)后：殘余應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度點(diǎn)數(shù)，分別為σx=0個(gè)，σy=0個(gè)，占整個(gè)檢測(cè)總量44點(diǎn)的比例為σx=0%，σy=0%。

表1 1號(hào)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab. 1 1# steel bifurcation pipe welding residual stress test results statistical chart MPa

表2 2號(hào)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab. 2 2# steel bifurcation pipe welding residual stress test results statistical chart MPa

（3）1號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前，x方向最大殘余應(yīng)力為629MPa，平均應(yīng)力為277MPa；y方向最大殘余應(yīng)力為612MPa，平均應(yīng)力為212MPa。經(jīng)水壓試驗(yàn)后，x方向最大殘余應(yīng)力為530MPa，平均應(yīng)力為260MPa；y方向最大殘余應(yīng)力為314MPa，平均應(yīng)力為118MPa。2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前，x方向最大殘余應(yīng)力為937MPa，平均應(yīng)力為397MPa；y方向最大殘余應(yīng)力為825MPa，平均應(yīng)力為247MPa。經(jīng)水壓試驗(yàn)后，x方向最大殘余應(yīng)力為386MPa，平均應(yīng)力為212MPa；y方向最大殘余應(yīng)力為537MPa，平均應(yīng)力為166MPa。數(shù)據(jù)對(duì)比表明：水壓試驗(yàn)后，原超過(guò)屈服強(qiáng)度的峰值均得到了有效降低，并下降至不超過(guò)屈服強(qiáng)度790MPa。

綜上所述，呼蓄電站鋼岔管焊接殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)表明，鋼管在經(jīng)過(guò)水壓試驗(yàn)后，焊縫的殘余應(yīng)力在鋼材的屈服強(qiáng)度極限范圍之內(nèi)，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，為水道系統(tǒng)的充水及鋼岔管的長(zhǎng)期安全運(yùn)行提供了保障。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）從焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果總體上看，鋼岔管大部分殘余應(yīng)力值均較低，說(shuō)明鋼岔管在制作及安裝過(guò)程中控制焊接殘余應(yīng)力的工藝措施效果明顯。在今后的焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝設(shè)計(jì)，控制線能量、減少拘束應(yīng)力、做好預(yù)熱及后熱措等工藝措施，盡量降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

（2）焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，水壓試驗(yàn)對(duì)消減岔管殘余應(yīng)力起到了應(yīng)有的作用，達(dá)到了通過(guò)水壓試驗(yàn)消除一定程度的殘余應(yīng)力的目的。水壓試驗(yàn)對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的消除率可達(dá)到30%左右，特別是應(yīng)力峰值消除明顯（按殘余應(yīng)力大于500MPa的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1號(hào)鋼岔管峰值消除率達(dá)到46.2%，2號(hào)鋼岔管峰值消除率達(dá)到44%）。

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Residual Stress Testing and Research for High Strength Steel Bifurcated Pipe in Hohhot hydroelectric Station

YU Jian，LIU Rui
（Powerchina Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing 100024，China）

The domestic 790MPa grade B780CF high strength steel，for the first time，has been used in Steel Bifurcated Pipe of Hohhot Hydroelectric Station，with HD value of 4140m·m，its HD value was the largest in under construction or has been built Hydropower Station. Testing for residual stress of Steel Bifurcated Pipe by χ-ray diffraction method，The test results not only provide technical analysis and inspection basis for filling Water System and long period stable operation of Steel Bifurcated Pipe，But also has some guidance and reference for the engineering application and the same type of Steel Pipe Bifurcation for Hydroelectric Station at home and abroad.

steel bifurcated pipe；χ-ray diffraction method；residual stress

TV48

A

570.20

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.018

2016-02-27

2016-03-30

余 健（1987—），男，工程師，主要研究方向：水利水電工程建設(shè)管理工作等。E-mail：yujian870125@126.com

劉 蕊（1985—），女，工程師，主要研究方向：水利水電工程設(shè)計(jì)、管理工作等。E-mail：409219737@qq.com