變電站構(gòu)架水泥桿鋼圈對(duì)接焊縫無(wú)損檢測(cè)及應(yīng)力分析

晏嘉陵，陳安生，陳慶濤，田 宇

(1. 安徽省電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省電力公司，安徽 合肥 230022)

1 前言

某220 kV 變電站是該地區(qū)220 kV 網(wǎng)架的重要一環(huán)，于上世紀(jì)70年代建成投運(yùn)，擔(dān)負(fù)著向該市區(qū)供電的任務(wù)。由于該變電站設(shè)備投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)該變電站220 kV 配電裝置區(qū)所有母線和構(gòu)架，線路、主變、分段間隔和旁路母線間隔的跨線進(jìn)行改造和更換。變電站構(gòu)架是用于懸掛、支撐導(dǎo)體或開(kāi)關(guān)設(shè)備及其他電氣設(shè)備的剛性構(gòu)架組合。構(gòu)架的受力以水平荷載(導(dǎo)線及地線的拉力)為主，其次為風(fēng)載。此類構(gòu)架柱高而斷面小，屬于大柔度結(jié)構(gòu)。為保證改造后構(gòu)架的施工質(zhì)量，對(duì)構(gòu)架立柱對(duì)接焊縫進(jìn)行了射線檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。

本次采用的檢測(cè)方法為數(shù)字式X 射線實(shí)時(shí)成像技術(shù)。該技術(shù)是利用膠片將X 射線透照過(guò)的物體內(nèi)部信息記錄下來(lái)，通過(guò)顯影、定影等暗室處理后進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估的技術(shù)。DR 數(shù)字實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)包括X 射線源、成像板系統(tǒng)、信號(hào)放大和ICU 數(shù)據(jù)采集處理單元、計(jì)算機(jī)圖像處理存儲(chǔ)傳輸系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)等。

2 檢測(cè)結(jié)果

本次改造工程中，構(gòu)架采用A 型或門型環(huán)形截面鋼筋混凝土水泥桿，每根水泥桿連接處為鋼圈對(duì)接焊縫。首先對(duì)各對(duì)接焊縫進(jìn)行宏觀檢查，然后對(duì)有疑問(wèn)的焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

從現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼圈接頭的宏觀檢查結(jié)果來(lái)看，部分焊縫明顯存在外錯(cuò)口(見(jiàn)圖1)，且接頭上未見(jiàn)焊工的鋼印代號(hào)(根據(jù)GB 50233—2005 中6.3.3 的要求)。出現(xiàn)錯(cuò)口的主要原因是鋼圈不圓。錯(cuò)口的外錯(cuò)邊量約為3～4 mm。由于兩側(cè)鋼圈壁厚相同，均為8 mm，因此估計(jì)內(nèi)錯(cuò)口也應(yīng)為3～4 mm。

圖1 鋼圈對(duì)接焊縫錯(cuò)口

整個(gè)工程共有水泥桿鋼圈焊接接頭52 個(gè)，對(duì)其中的8 個(gè)焊縫進(jìn)行了隨機(jī)抽檢。經(jīng)超聲波檢測(cè)和X 射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，8 個(gè)焊縫均存在嚴(yán)重的未焊透、氣孔等缺陷(見(jiàn)圖2)。根據(jù)GB 3323—2005《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》和GB 11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級(jí)》，評(píng)定所查焊縫缺陷等級(jí)均為Ⅳ級(jí)。而按工程設(shè)計(jì)單位的要求，該焊縫應(yīng)符合二級(jí)焊縫的技術(shù)要求。根據(jù)JGJ 81—2002《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》要求，二級(jí)焊縫(超聲波B 級(jí)或射線AB 級(jí))的缺陷等級(jí)應(yīng)達(dá)到Ⅲ級(jí)或Ⅲ級(jí)以上。另外，GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》也有類似要求。故此次抽查檢驗(yàn)的8 個(gè)焊縫均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 部分焊縫X 射線檢測(cè)結(jié)果照片

3 檢測(cè)結(jié)果分析

針對(duì)該變電站構(gòu)架鋼圈對(duì)接焊縫無(wú)損檢測(cè)的情況，對(duì)A 型、門型構(gòu)架受力進(jìn)行了有限元分析計(jì)算。由于設(shè)計(jì)單位未能提供具體的載荷資料，僅根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的載荷計(jì)算條件，對(duì)這2 種類型的構(gòu)架進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。構(gòu)架示意圖見(jiàn)圖3 和圖4。

圖3 門型構(gòu)架示意

3.1 有限元計(jì)算結(jié)果

為便于分析對(duì)接焊縫的受力情況，只取整個(gè)立柱的上半部分(見(jiàn)圖3、圖4，因A 型構(gòu)架最上方焊縫處采用槽鋼加固，故不予考慮)進(jìn)行分析計(jì)算。模型尺寸依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，只考慮立柱、橫梁以及拉線。假設(shè)母材和焊縫中均不存在任何缺陷，在最不利的載荷情況下，按照簡(jiǎn)支梁端部受載，確定底部環(huán)焊縫應(yīng)力情況。將實(shí)際導(dǎo)線張力、風(fēng)載荷、振動(dòng)載荷以及其他靜載荷等載荷條件簡(jiǎn)化，換算為集中載荷施加在立柱頂部。材料為Q235B(屈服強(qiáng)度為235 MPa，彈性模量為2.06×105 MPa，泊松比為0.3)，載荷為20 kN(圖紙規(guī)定：出線站外側(cè)每相導(dǎo)線拉力不大于10 kN/相，地線拉力不大于5 kN/相)。立柱和拉條底部均采用固定約束。分別對(duì)鋼圈厚度為6，8，10 mm 進(jìn)行了計(jì)算。

圖4 A 型構(gòu)架示意

3.1.1 門型構(gòu)架有限元分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在立柱頂部集中載荷的作用下，立柱底部應(yīng)力最大，并隨著鋼圈壁厚的減小，底部環(huán)焊縫的等效應(yīng)力顯著增加。在鋼圈壁厚為6 mm 時(shí)立柱根部(即對(duì)接焊縫處)等效應(yīng)力約為231 MPa，接近Q235B 的屈服強(qiáng)度(235 MPa)。

3.1.2 A 型構(gòu)架有限元分析結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可以看出，在立柱頂部集中載荷的作用下，A 型立柱一側(cè)受拉應(yīng)力，一側(cè)受壓應(yīng)力。最大應(yīng)力出現(xiàn)在根部位置(即對(duì)接焊縫處)，并隨著鋼圈壁厚的減小，底部對(duì)接焊縫的等效應(yīng)力顯著增加。在鋼圈壁厚為6 mm 時(shí)立柱根部(即對(duì)接焊縫處)等效應(yīng)力約為198 MPa，接近Q235B 的屈服強(qiáng)度(235 MPa)。

總體而言，門型構(gòu)架對(duì)接焊縫處的應(yīng)力大于A型構(gòu)架對(duì)接焊縫處的應(yīng)力；又由于A 型構(gòu)架兩側(cè)有斜撐，能承擔(dān)相當(dāng)大的一部分載荷，所以其整體承載工況要優(yōu)于門型構(gòu)架。

3.2 焊接殘余應(yīng)力

鋼圈對(duì)接焊縫可近似看作管對(duì)接焊縫。在焊接過(guò)程中，由于各區(qū)域焊接熱輸入不均勻的影響，在焊接區(qū)產(chǎn)生切向(圓周方向)和軸向(垂直于圓周方向)殘余應(yīng)力，其中切向殘余應(yīng)力見(jiàn)圖5。

圖5 管對(duì)接焊縫中切向殘余應(yīng)力分布

由圖5 可知，焊縫區(qū)中存在較高的切向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，有時(shí)最大切向殘余應(yīng)力可達(dá)到材料的屈服極限。同時(shí)，軸向應(yīng)力在焊縫外表面為壓應(yīng)力，內(nèi)表面為拉應(yīng)力。又因?yàn)殇撊?duì)接焊縫采用V 形坡口多層焊，每焊一層就產(chǎn)生一次彎曲作用，多次拉伸塑性變形的積累造成焊縫根部應(yīng)變硬化，使各項(xiàng)應(yīng)力不斷升高，在焊縫根部產(chǎn)生較高的拉應(yīng)力。因此，在一定外載荷作用下，各種應(yīng)力累加導(dǎo)致焊縫根部應(yīng)力較大，該部位承載能力比較薄弱。若對(duì)接焊縫存在未熔合、未焊透等缺陷，其承載能力將進(jìn)一步削弱。

3.3 分析及結(jié)論

由上述分析可知，在一定外載荷作用下，在焊接殘余應(yīng)力疊加、累加的作用下環(huán)焊縫處應(yīng)力較大，若存在未焊透、未熔合等缺陷而形成裂紋，裂紋將進(jìn)一步擴(kuò)展直至構(gòu)架完全斷裂，勢(shì)必嚴(yán)重威脅構(gòu)架所支撐電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。

由于此次分析計(jì)算系簡(jiǎn)化計(jì)算，載荷不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)工況(該地區(qū)屬于地震活躍區(qū))，且計(jì)算結(jié)果偏保守。另外，考慮因焊縫的存在減弱構(gòu)架承載能力等因素，因此門桿對(duì)接鋼圈的最小厚度宜定為8 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的焊縫質(zhì)量等級(jí)宜為一級(jí)。如果鋼圈的壁厚再厚些，則對(duì)應(yīng)的焊縫質(zhì)量要求可以略放寬一些。

據(jù)DL/T 5092—1999《110～500 kV 架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，各種焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定確定。根據(jù)規(guī)定，在需要進(jìn)行疲勞計(jì)算的構(gòu)件中，凡對(duì)接焊縫均應(yīng)焊透，質(zhì)量等級(jí)最低為二級(jí)；在不需要計(jì)算疲勞的構(gòu)件中，凡要求與母材等強(qiáng)的對(duì)接焊縫應(yīng)予焊透，其質(zhì)量等級(jí)當(dāng)受拉時(shí)應(yīng)不低于二級(jí)，受壓時(shí)宜為二級(jí)。

綜合檢測(cè)結(jié)果、有限元計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)規(guī)范要求，此處對(duì)接焊縫的質(zhì)量等級(jí)應(yīng)不低于二級(jí)。因此次技改工程的構(gòu)架水泥桿鋼圈接頭質(zhì)量不能滿足二級(jí)焊縫要求，建議對(duì)此次技改工程水泥桿所有鋼圈接頭進(jìn)行返修。如工程進(jìn)度來(lái)不及，也可采取可行、可靠的加固措施。

4 討論

在此次變電站構(gòu)架水泥桿鋼圈對(duì)接焊縫的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，工程施工及監(jiān)理單位通常使用GB 50233—2005《110 ～500 kV 架空送電線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)收。

GB 50233—2005 中對(duì)焊縫外觀質(zhì)量的要求如下：母材咬邊深度不得大于0.5 mm，且不得超過(guò)圓周長(zhǎng)的10 %；表面裂縫不允許；焊縫不足不允許(規(guī)范中表6.3.3-2)。從以上要求來(lái)看，對(duì)焊縫質(zhì)量的要求還是較高的。從該標(biāo)準(zhǔn)中表6.3.3-1 的圖示來(lái)看，焊縫似乎是要求全焊且焊透的，但該標(biāo)準(zhǔn)并未對(duì)焊縫內(nèi)部質(zhì)量作出明確要求，而且在鋼圈對(duì)接焊縫的質(zhì)量要求方面，該標(biāo)準(zhǔn)與GB 50205—2001 是有沖突的。這部分內(nèi)容的規(guī)定顯得不合理、不科學(xué)、不規(guī)范。從質(zhì)量控制體系來(lái)看，制造、施工質(zhì)量驗(yàn)收應(yīng)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，而不能取代設(shè)計(jì)。然而GB 50233—2005 不考慮焊縫質(zhì)量等級(jí)要求和設(shè)計(jì)規(guī)范，僅要求焊縫外觀合格，是不能滿足設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求的。

由于標(biāo)準(zhǔn)的沖突，在實(shí)際使用中造成了一定的混淆。設(shè)計(jì)單位出于“慣例”，未在圖紙上用文字標(biāo)明焊縫質(zhì)量要求，而施工單位既未能準(zhǔn)確理解圖紙，也未與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，按“慣例”按三級(jí)焊縫施工及驗(yàn)收。監(jiān)理單位也未能準(zhǔn)確理解圖紙，也按“慣例”進(jìn)行監(jiān)理。

近幾年，電力系統(tǒng)內(nèi)已有多個(gè)水泥電桿因鋼圈接頭失效而倒桿。因此，應(yīng)盡快對(duì)GB 50233—2005 中的相關(guān)條款進(jìn)行修改，以滿足實(shí)際需要。

5 建議

針對(duì)在構(gòu)架水泥桿鋼圈對(duì)接焊縫的檢測(cè)過(guò)程中所暴露出的一些問(wèn)題和不足，提出以下建議。

(1)電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行此類焊接設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在圖紙中明確注明焊縫的質(zhì)量要求。

(2)據(jù)監(jiān)理單位反映，施工中未見(jiàn)焊接工程施工交底、焊接工藝指導(dǎo)書(shū)等文件，建議電網(wǎng)工程施工單位在進(jìn)行此類焊接施工時(shí)，與設(shè)計(jì)單位進(jìn)行溝通，準(zhǔn)確理解圖紙，嚴(yán)格施工質(zhì)量管理，保存好施工交底、作業(yè)指導(dǎo)書(shū)、驗(yàn)收記錄等文件，以便出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)能追根溯源。

(3)電網(wǎng)工程監(jiān)理單位在進(jìn)行此類焊接施工監(jiān)理時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)確理解圖紙，對(duì)重要節(jié)點(diǎn)可設(shè)置停工待檢點(diǎn)等，加強(qiáng)對(duì)工程質(zhì)量的監(jiān)理。

1 中南電力設(shè)計(jì)院. 變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2006.

2 胡天明. 射線探傷[M]. 武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1994.

3 曾 攀，雷麗萍，方 剛. 基于ANSYS 平臺(tái)有限元分析手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

4 方洪淵. 焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.