淺談水電站鋼岔管消應處理方法

馬小艷，王 麗

（1.扶風縣水土保持工作站，陜西 寶雞 722299；2.扶風縣防汛抗旱指揮部辦公室，陜西 寶雞 722299）

1 工程概況

某水電站機組采用一管兩機聯合供水方式，由地下壓力鋼管、鋼岔管及兩條支管組成。壓力鋼管主管直徑7 m，長194 m，上下平段高差60.423 m，采用斜井連接，斜井角度45°，圓形斷面。支管直徑4.5 m，支管長30.71 m，圓形斷面。

岔管的材料為Q345R，板厚為46 mm，月牙肋鋼板厚度為80 mm，材料為CSG610D。鋼岔管是鋼管直徑由7 m 變為4.5 m，岔管制作過程中采用的焊接方法是二氧化碳氣體保護焊，焊絲型號為H08MnA 埋弧焊絲，月牙肋焊接采用的是607 焊條進行的焊接[1]。鋼岔管共由10 大塊組成見圖1。為滿足岔管的制作及安裝的要求，每一大塊又分成不等的小塊，本岔管共由41 小塊拼裝組成。

圖1 鋼岔管平面簡圖

2 焊接殘余應力

鋼岔管是鋼管直徑由7 m 變為4.5 m，共由41 小塊拼裝組成，采用焊接的方法進行拼裝。焊接采用二氧化碳氣體保護焊，焊接量大且焊接環境差，焊接過程中會釋放大量的熱，焊縫周圍溫度發生急劇變化，產生不均勻的溫度場進而引起鋼岔管的塑性變形，因此焊接過程中會產生較大且不均勻的焊接殘余應力。工作應力和焊接殘余應力迭加后的復雜應力狀態如果不進行處理，則會引起岔管的焊接變形及裂縫等，影響岔管的使用壽命，不僅會給電站帶來經濟損失，還會給水電站的安全運行埋下隱患。

3 殘余應力處理方法

目前常用的焊接殘余應力消除方法有退火法、錘擊法、爆炸法等。退火法是焊后消除殘余應力常用的方法，但是退火法不適合用于大型構件；錘擊法操作較簡單，施工比較方便，但是，錘擊的力度較難控制，力度過大過小都不利于應力的消除及焊縫的質量；爆炸法消除焊接殘余應力是近年來出現的消除應力新方法，其工藝主要是通過在焊縫及其近區表面粘貼的炸藥經過爆轟造成的沖擊波和殘余應力的交互作用，使金屬內部產生微觀的塑形變形，從而達到降低殘余應力的目的，他不僅可以降低焊接接頭表層附近的殘余拉伸應力，甚至可以造成壓縮應力，還可以在鋼板整個厚度方向均勻消應。

4 爆炸消應處理

4.1 爆炸消應準備工作

在進行爆炸處理前，應首先進行爆炸試驗，采用購買的炸藥在現場使用的結構形式進行。經業主等有關單位同意，爆炸試驗在34 mm 厚的Q345R 焊接試板上進行。爆炸試驗效果確認后（不低于GB/T 26078 中的要求）方可進行現場爆炸處理。

聯系當地公安機關購買炸藥，按照規定辦理炸藥的購買、存放和施工的所有相關手續。進入現場實施爆炸處理前，詳細勘察爆炸區周圍的地形環境，做到心中有數，避免發生不必要的事故。爆炸處理前通知并警示現場附近的生產和施工單位做好防護措施，特別注意附近的一些非固定物件在多次沖擊波作用下可能出現松動和脫落。

爆炸消除應力處理和一般的熱處理有所不同，由于鋼岔管焊縫較多，所以需要分段、多次爆炸。爆炸時產生的沖擊波力量很大，可能對周圍的人員和設備產生一定的影響，因此在實際爆炸處理過程中，焊縫布藥時現場附近的各類人員停止焊接等作業，在引爆瞬間洞內及廠房內的一切人員必須撤離現場[2]。

爆炸消應的施工進度主要受現場條件限制。一般情況下，每個小時可以對焊縫進行20m 左右的消應處理，考慮到炸藥的運輸、存放、領用等以及現場的交叉作業等因素，爆炸作業一般安排在中午休息或晚上進行。

4.2 試板工藝試驗

首先在試板上進行布藥工藝確定，對外形尺寸為450 mm×500 mm×32 mm 且材質為Q345R 的試板進行原始殘余應力和爆炸消應后殘余應力的檢測，見圖1～圖2。測試位置的數據見表1。

圖2 試板殘余應力檢測

圖3 試板炸藥布置

表1 殘余應力測試數據

通過專業檢測工具對試板的原始殘余應力和爆炸消應后的殘余應力進行檢測并記錄數據，根據檢測數據可以得知，處理后的殘余應力較處理前得殘余應力大幅度下降，并且消應后殘余應力數值滿足設計要求。由此可以進行岔管消應的相關工作。

4.3 岔管消應

參照工藝試驗結果確定現場爆炸處理方案。

1）確定測點分布及數量的要求：每條環縫不少于一個點，縱縫不少于一個點；靠近褲衩部位焊縫部位適當增加；月牙板不低于6 個。

2）依據（GB/T 26078-2010）中的爆炸處理效果的評價要求，按10%～20%的數量抽檢，測試結果作為此類構件爆炸處理的驗收依據，爆炸處理前后應在相似的典型部位進行應力測試，典型的部位包括處理表面的對接焊縫、安裝焊縫等，依據現場的具體情況適當調整測點位置。

3）測點位置見表2。

表2 岔管消應點布置

圖4 岔管焊縫消應點布置圖

4）消應結果

鋼岔管的最大原始焊接殘余應力可以達到或超過母材的屈服強度。實施爆炸消應工作之后，焊縫的殘余應力明顯下降，平均剩余殘余應力低于母材屈服強度的50%，通過消應處理，焊接殘余應力的消除率可達到60%以上，并且爆炸處理后鋼岔管沒有受到損傷，爆炸處理結果可以滿足規范和設計使用要求。鋼岔管內外表面焊縫爆炸前后應力測試結果見表3。

表3 鋼岔管內外表面焊縫爆炸前后應力測試結果

續表3

5 結論

如果不及時對焊接殘余應力進行處理，將會對鋼岔管造成焊接變形及裂縫等嚴重的質量問題。分析水電站鋼岔管焊接過程中產生的焊接殘余應力，以及焊接殘余應力對鋼岔管產生的危害，提出可采取爆炸法消應處理。從現場采集的消應前后數據可以得出，焊縫殘余應力明顯降低，效果良好。