鋼岔管水壓試驗消除焊接殘余應力效果評價方法探討

靳紅澤，曹佳麗，杜雅楠，趙 強

（1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南省鄭州市 450044；2.國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100053）

0 引言

在常規水電站或抽水蓄能電站中常采用“一管兩機”或“一管多機”方式布置，引水系統布置了鋼岔管，大多數鋼岔管采用對稱或非對稱Y形內加強月牙肋結構。隨著設計水頭的提高和機組容量增加，內加強月牙肋式鋼岔管呈現以下特點：岔管體形較大，通常需在施工現場組對焊接；鋼岔管結構型式決定了鋼岔管焊縫較多，且剛度較大；瓦片普遍采用高強鋼中厚板卷制，焊接工作量大。由于鋼岔管以上的結構特點，組對時會產生較高的焊接殘余應力，通常無法通過焊后熱處理來消除。

為達到消除焊接殘余應力的目的，工程上常采用爆炸法、振動時效法和岔管整體水壓試驗等方法。根據行業規范要求，整體水壓試驗的主要目的是檢驗鋼岔管制作質量，但由于水壓試驗的試驗壓力通常達到設計水頭的1.25倍，水壓外載荷疊加殘余應力也會達到過載拉伸消應的目的，而常被用作鋼岔管消應的手段。

水壓試驗消應的程度究竟能達到多少？采用何種指標來評價水壓試驗的消應效果？行業標準沒有給出參考指標和相關數據。本人結合多年來從事鋼岔管水壓試驗殘余應力測試的工程實例，探討水壓試驗焊接殘余應力消應的效果評價和測試方法要求的問題。

1 鋼岔管消除焊接殘余應力的必要性

1.1 焊接殘余應力的產生

鋼岔管分叉引水特點使其采用內加強結構的不規則受壓容器類結構，剛度較大，結構復雜。正常工作時，鋼岔管可能存在局部高應力區。鋼岔管通常為帶有內加強板的特殊板殼結構，焊縫數量多，焊接時拘束度較大。岔管的HD值（主管直徑D×水頭H）越來越大，目前最大的鋼岔管其HD值達到4140mm·m[1]，而隨著鋼岔管HD值的增加，大量使用了從600MPa級到800MPa級的高強鋼板材，目前已經開始了1000MPa級高強鋼岔管的前期研究，相信隨著技術的不斷進步，會逐步應用到水電站工程中。

焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程。受到周圍母材的約束作用，焊接熱輸入造成焊縫局部發生不均勻的塑性變形，冷卻到室溫后無法恢復到原有狀態，焊縫產生殘余應力和殘余變形。殘余應力在構件的內部平衡，是焊接過程中無法避免的，其存在對于鋼岔管的運行有較大的影響。

1.2 焊接殘余應力對鋼岔管的影響

1.2.1 對構件焊接缺陷的影響

鋼岔管采用的高強鋼為低焊接裂紋敏感性高強鋼，但隨著材料強度的提高，其母材碳當量或焊接裂紋敏感性指數也增加，在過高的焊接殘余應力作用下容易產生熱影響區冷裂紋。因此在工程上采取焊前預熱、焊后緩冷、降低拘束度等措施配合必要的焊接材料烘干措施和焊縫多層多道合理排列、適當的焊接順序來減少焊接冷裂紋的出現。

1.2.2 對鋼岔管強度的影響

如果焊接殘余拉應力過高且存在焊縫缺陷，焊接殘余應力將使靜載強度降低，構件會提前破壞而失效。對于需要頻繁啟動的抽水蓄能電站來說，如果在應力集中處存在較大的殘余拉應力，在循環應力作用下，將使鋼岔管的疲勞強度降低[2]。

1.2.3 對穩定性的影響

焊接殘余應力與外載引起的應力疊加，使結構局部提前屈服或局部失穩，導致結構的整體穩定性降低。

2 鋼岔管焊接殘余應力的分布特點

2.1 鋼岔管焊接殘余應力分布的常見特征

鋼岔管設計所用板材通常為高強鋼中厚板，板材抗拉強度為600～800MPa級，設計板厚為50～150mm，對稱或非對稱“X”形焊接坡口，如圖1所示[1]。焊接方法為焊條電弧焊，焊道排列采用多層多道焊。

圖1 坡口形式和尺寸Figure 1 Welding groove type and size

如圖2顯示對焊縫中的測點測試了兩個方向的殘余應力數值，分別為平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向。對于環縫來說，平行于焊縫的為環向殘余應力，垂直于焊縫的為軸向殘余應力；而對于縱縫來說，則剛好相反。從圖2中還可以看出，本例中焊縫中的殘余應力為拉應力，數值分布有高有低，有幾個點的殘余應力數值高于0.5σs，最大焊接殘余應力值距離焊縫中心5mm處。

2.2 殘余應力分布的特征參數

根據圖2焊接殘余應力分布示意圖，描述鋼岔管焊縫殘余應力狀態采用以下參數。

圖2 焊縫表面殘余應力分布示意圖Figure 2 Schematic diagram of residual stress distribution on the weld surface

2.2.1 殘余應力最大值σmax、峰值σp和最小值σmin

殘余應力最大值σmax和最小值σmin分別為測區內殘余應力的最大值和最小值。規定水壓試驗前超過0.5σs的殘余應力值為峰值，用σp表示，相應的測點稱為峰值點。一個測區內可能有多個峰值，但最大值只有一個。對應于每一個峰值點在水壓試驗后的殘余應力測試值記為σp后，峰值反映了測區內殘余應力的最高水平，也即反映了鋼岔管焊后殘余應力的危害程度。峰值點為水壓試驗消應關注的焦點。根據行業設計規范，設計水頭下外載荷引起的工作應力一般不超過0.5σs，考慮到水壓試驗為機械拉伸消應的機理，殘余應力達到0.5σs以上的點才有可能產生消應效果。

2.2.2 殘余應力平均值σa

所有測區水壓試驗前殘余應力的算術平均值規定為殘余應力平均值，用σa表示；所有測區水壓試驗后殘余應力的算術平均值，用σa后表示，平均值反映了測區內殘余應力的平均水平。

2.2.3 殘余應力幅度差σd和均化程度σh

水壓試驗前測區內殘余應力最大值和最小值之差規定為殘余應力幅度差，記為σd，即σd=σmax-σmin，水壓試驗后測區內殘余應力最大值和最小值之差規定為殘余應力均化程度，記為 σh，即 σh=σmax后-σmin后，殘余應力幅度差反映了測區內的殘余應力波動范圍。

3 鋼岔管水壓試驗消應效果評價方法及對測試方法的要求

3.1 鋼岔管水壓試驗消應效果評價指標

在鋼岔管水壓試驗前后分別進行殘余應力測試，建議按下述指標評價水壓試驗消應效果。

3.1.1 殘余應力峰值消除率Rp

分別在水壓試驗前后測試焊接殘余應力，并計算所有峰值點σp的算術平均值以及原峰值點水壓試驗后的殘余應力測試值σp后的算術平均值。則水壓試驗殘余應力峰值消除率Rp可表示為：

式中：Rp——殘余應力峰值消除率；

3.1.2 殘余應力平均消除率Ra

殘余應力平均消除率記為Ra，根據2.2.2的規定，Ra可表示為：

式中：Ra——殘余應力平均消除率；

σa——殘余應力平均值，MPa；

σa后——水壓試驗后的殘余應力測試值，MPa。

3.1.3 殘余應力均化程度σh

根據2.2.3規定，水壓試驗后的殘余應力均化程度σh，就是水壓試驗后的最大最小殘余應力差。需要說明的是，水壓試驗后可能使最大值和最小值的位置發生改變，需要按水壓試驗后實際情況進行比較計算。

3.2 消應效果評價指標應用和參考值探討

近年來進行了國內多臺鋼岔管水壓試驗消應實踐，并進行了水壓試驗前后殘余應力測試對比。從測試結果看，水壓試驗對于鋼岔管焊接殘余應力平均消除率達到30%左右，殘余應力峰值消除率可達到44%或更高[2]，說明鋼岔管整體水壓試驗對焊接殘余應力消應效果明顯，與其他消應方法相比較具有較大的優勢。

由于承受內水壓力時，環向內應力較軸向應力大得多，可能會使環向和軸向殘余應力消除程度有較大的區別。因此工程上也可以將殘余應力按應力方向分別統計計算，這樣更科學和合理。

對于殘余應力均化程度，希望殘余應力均化程度值越低越好。在殘余應力峰值能夠大幅下降的同時，殘余應力波動范圍變小，對于結構的承載無疑是有益的。

3.3 對殘余應力測試方法的要求

從以上分析可以看出，焊接殘余應力分布是接頭在焊接過程中產生的復雜的能量和變形相互作用的結果，從統計學的觀點看，總體有一定的規律性，但從實際測試結果看，由于鋼岔管結構的特殊性，各測區的應力分布以及每個測區內各測點的應力都不相同，這就給殘余應力的分析帶來了一定的難度。為全面地反映鋼岔管整體殘余應力水平和分布情況，使上述指標盡可能真實地反映殘余應力消除程度，在應用以上指標評價實際的殘余應力消應效果時應注意以下幾個問題。

3.3.1 測區選擇應有代表性

對于鋼岔管來說，應選擇具有代表性的殘余應力測區。鋼岔管焊縫較多，每條焊縫和焊縫在岔管的不同位置受力也不盡相同。一般來說，岔管腰線處管壁承受工作應力較大的區域以及設計文件或計算成果反映出來的其他受力較大的區域都是應該關注的焦點。環縫和縱縫都應該布置測區。鋼岔管測區數量一般不應少于5個。考慮到每種測試方法的局限性，對設備或儀器可達性受限制的區域可不考慮布置測區。

3.3.2 應考慮殘余應力測試方法的最小分辨區域

根據焊接殘余應力的分布特點，不同位置的焊縫以及同一處焊縫距離焊縫中心的不同距離處殘余應力值往往變化較大，有的部位甚至出現殘余應力陡升陡降的情況。而不同的測試方法，所測數值是探頭/傳感器覆蓋區域或照射區域內的應力平均值，因此為了能夠獲取殘余應力峰值的分布情況，要求測試儀器的探頭尺寸或被測照射區域面積越小越好。

3.3.3 測區測點分布要合理

每個測區的測點應合理地分布于接頭的整個區域。焊縫、熔合線和熱影響區均應有代表性的測點。合理確定測點的間距，力求使測點的應力盡可能完整地反映接頭焊后殘余應力的狀態，避免漏掉峰值。一般來說每個測區應布置不少于5個測點，可參照圖3在測區中布置測點[3]。

圖3 環縫和縱縫測區的測點布置示意圖Figure 3 Schematic layout of measure points in the measure zone of Circumferential and longitudinal welders

3.3.4 應采用無損的測試方法

高強鋼制作的岔管焊接完成后一般不允許焊補，焊接殘余應力測試要求采用無損的測試方法。為了評價消應效果，需對比水壓試驗前后的殘余應力測試結果。這就要求水壓試驗后應在原測點進行重復測試。根據焊接殘余應力分布特點，不同區域的焊縫殘余應力分布不盡相同，如果不在原先的測點處復測，則對于殘余應力消除效果的評價就不夠準確。目前的工程實踐表明，X射線衍射法是理想的無損測試方法，可滿足原位復測的要求，測試結果準確可靠。對高強鋼岔管來說盲孔法和壓痕法則不宜使用。

3.3.5 殘余應力方向的測試要求

對于鋼岔管結構來說，考慮其受力特點，應找出最大殘余應力方向，或者每個測點要求至少測試軸向和環向兩個方向的殘余應力。

近年來的殘余應力測試實踐表明，在測試時如能滿足以上要求，可得到滿意的測試結果，能為委托單位或設計方提供極有價值的參考依據。

4 結束語

本文提出了表征鋼岔管焊接殘余應力分布的特征參數，建議用殘余應力峰值消除率Rp、殘余應力平均消除率Ra、殘余應力均化程度σh三個指標評價鋼岔管水壓試驗消應效果，并給出了三個指標的計算方法。對消應效果評價指標在工程上的實際應用情況和參考值進行了討論。為了使這些評價指標能夠在工程上順利開展應用，對焊接殘余應力測試方法也提出了具體要求。

本文提出的消應效果評價指標對于豐富完善相關行業標準對鋼岔管消應的技術要求，以及鋼岔管設計、采購、制作施工具有一定的參考意義。