超聲波消應(yīng)法在大型岔管施工中的應(yīng)用

馬凌

（遼寧省水利廳信息中心，遼寧沈陽110003）

超聲波消應(yīng)法在大型岔管施工中的應(yīng)用

馬凌

（遼寧省水利廳信息中心，遼寧沈陽110003）

本文論述的大型引水工程中,岔管單重達222.72 t,直徑達到5.8 m，設(shè)計要求岔管焊縫消除應(yīng)力大于95%，在施工中沒有采取傳統(tǒng)工藝，而采取了超聲波消應(yīng)法，在消應(yīng)后采取壓痕法檢測，最終達到設(shè)計指標。

大型岔管；焊縫消應(yīng)；超聲波消應(yīng)法；壓痕法

1 工程概況

某大型引水工程為一穿山工程，為DN3200PC?CP管與DN5800隧洞相結(jié)合工程，其中采用DN5800岔管連接，其斷面如圖1。DN5800岔管共計5個，5個岔管總重978.98 t，其中最重為222.72 t，直徑達5.8 m。5個岔管主管、支管、短管、彎管、直管部分相同，僅U梁及腰梁規(guī)格不同，設(shè)計要求岔管焊縫消除應(yīng)力大于95%。

圖1 岔管整體示意圖

2 焊接方法及質(zhì)量要求

1）焊接方法：采用手工電焊條電弧焊或CO2氣體保護焊進行焊接。

2）焊接質(zhì)量要求：焊縫后熱消氫工作完成24 h后對焊縫進行外觀檢查和探傷檢測；岔管主管管壁的環(huán)縫、縱縫，加強構(gòu)件的對接環(huán)縫，加強構(gòu)件與管壁相接處的組合焊縫為一類焊縫；主管管壁縱縫環(huán)縫用100%超聲波對焊縫進行探傷和5%的射線復驗；腰梁、U梁、加強板的對接焊縫，腰梁、U梁、加強板與焊柱的對接焊縫，由于鋼板厚度大，無法使用射線探傷，采用雙面100%超聲波進行檢測和5%的磁粉復驗；焊縫經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)外觀質(zhì)量不符合要求時，需返工，修磨并按工藝進行局部補焊，補焊的焊縫應(yīng)并與原焊縫保持平滑過渡。

3 岔管的超聲波消應(yīng)法

岔管焊縫消應(yīng)處理步驟為：焊前準備——組裝和定位焊——焊縫焊前預(yù)熱——焊后消氫熱處理以——焊縫超聲波時效儀進行時效處理。超聲波時效儀型號為HLHT-20A。其具體操作步驟如下：

3.1 焊前準備

焊接前應(yīng)檢查焊接設(shè)備是否完好，焊接材料是否符合要求，焊接坡口是否有油污、積水及其它雜質(zhì)，確定焊接方向和焊接順序。

3.2 組裝和定位焊

組裝時應(yīng)嚴格控制好尺寸，縱、環(huán)縫錯邊量應(yīng)滿足規(guī)范要求。為防止焊接裂紋和減小內(nèi)應(yīng)力，裝配時要避免強行組裝。

定位焊要求與正式焊縫相同，位置宜距離焊縫端部30 mm以上，長度在50 mm以上，間距100～400 mm，厚度不宜超過正式焊縫高度的1/2，最厚不超過8 mm。除單面焊焊縫和接頭部位焊透的焊縫外，一類焊縫中不保留定位焊縫。

3.3 焊前預(yù)熱

岔管管壁與U型梁的焊縫、岔管管壁與腰梁的焊縫、立柱與U型梁和腰梁的焊縫、U型梁對接焊縫、腰梁對接焊縫均采用履帶式電加熱器（單塊尺寸為240 mm×900 mm、功率10 kW，加熱時根據(jù)焊縫的長度設(shè)置加熱器塊數(shù)）進行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80～100℃。

加熱范圍以焊縫中心為準，每側(cè)不小于板厚的3倍，且不小于150 mm。加熱溫度的控制采用LWK-240 kW數(shù)顯溫控箱控制，同時用ET950紅外線測溫儀實時監(jiān)控。

施焊時選用低氫型CHE506（E5016）焊條，采用多層多道的焊接，打底焊接使用?3.2焊條，焊接電流90～100 A，其余填充層使用?4.0焊條，焊接電流130～150 A，層間溫度控制在230℃以下，減小焊接熱輸入。

焊接時須將每道的熔渣、飛濺仔細清理干凈，使用碳弧氣刨清根時，需將根部的缺陷清除，然后用角磨機將刨槽焊道的滲碳層氧化物清理干凈并修整刨槽形狀，盡可能使刨槽焊道規(guī)整平直，焊接開始后需連續(xù)施焊直至焊縫焊接完成，中途不得停止。

3.4 焊后熱處理

焊后進行后熱消氫處理的目的是為了降低焊接內(nèi)應(yīng)力，后熱消氫溫度為250℃，需保溫2 h；最大降溫速度不大于50℃/h，最大升溫速度不大于80℃/h。焊縫后熱消氫處理，須完成焊縫的焊接工作，在溫度未低于80℃前立即對焊縫外觀進行檢查，看是否存在未焊滿、凹坑、咬邊等缺陷，如有應(yīng)立即進行修補，打磨，完成后應(yīng)立即進行后熱消氫處理，當溫度達到250℃后，在加熱區(qū)100 mm范圍內(nèi)使用20～50 mm的玻璃棉覆蓋保溫，保溫溫度利用LWK-240 kW數(shù)顯溫控箱控制，同時用ET950紅外線測溫儀實時監(jiān)控。后熱消氫溫度時間曲線如圖2所示。

3.5 無損檢測

焊縫后熱消氫工作后24 h后對焊縫進行無損探傷檢測，須符合規(guī)范SL432-2008要求。主管管壁縱縫環(huán)縫用100%超聲波對焊縫進行探傷和5%的射線復驗。

3.6 焊縫的應(yīng)力消除

圖2 后熱消氫溫度時間曲線

岔管肋板及立柱的焊縫采用超聲波時效儀進行時效處理。處理時，將電流調(diào)節(jié)在2 A左右，使沖擊頭垂直于待處理的焊縫部位做往復運動，使待處理部位表面受到均勻的沖擊力，處理速度控制在30～40 m/h，確保時效處理效果，處理時僅需處理焊趾，每條焊縫的雙側(cè)均需處理，處理時根據(jù)板厚的情況調(diào)整相應(yīng)的輸出電流，見表1。處理完成的焊縫區(qū)表面應(yīng)有均勻的超聲波時效處理線。

表1 超聲波時效處理電流選擇

岔管焊縫殘余應(yīng)力降低率符合JB/T10375規(guī)范 要求，降低率大于30%。應(yīng)力消除率K=（σ前-σ后）/σ前×100%，其中：σ前——為消應(yīng)前焊縫殘余應(yīng)力；σ后——為消應(yīng)后焊縫殘余應(yīng)力。

4 岔管應(yīng)力測試

4.1 應(yīng)力測試方法及原理

此項目采用了壓痕法進行應(yīng)力測試，設(shè)備型號為KJS-1型應(yīng)力測試系統(tǒng)，應(yīng)變計型號為BE120-2CA-B。

壓痕應(yīng)變法測量原理：利用壓痕周圍形成的彈塑性變形場信息來測量殘余應(yīng)力，尋找壓痕外彈性區(qū)內(nèi)的位移場隨殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。這種利用壓痕外彈性區(qū)內(nèi)的應(yīng)變增量來求解原始殘余應(yīng)力的方法就是壓痕應(yīng)變法。通過記錄壓痕外彈性區(qū)應(yīng)變增量的變化，獲得對應(yīng)于殘余應(yīng)力大小的真實彈性應(yīng)變，求出殘余應(yīng)力的大小。

壓痕應(yīng)變法廣泛使用的一種無損殘余應(yīng)力測量方法，它的一條基本實驗規(guī)律是相同尺寸的壓痕在殘余應(yīng)力場中產(chǎn)生的應(yīng)變增量與殘余彈性應(yīng)變成正比。

4.2 壓痕應(yīng)變法的測量步驟

1）被測構(gòu)件表面準備。根據(jù)測構(gòu)件表面實際狀態(tài)來確定測量位置，然后進行表面粗磨、表面拋光，最后再進行表面手工打磨處理。

2）應(yīng)變片粘貼。粘貼應(yīng)變片時要注意讓應(yīng)變片兩個相互垂直的應(yīng)變柵分別與所測應(yīng)力方向垂直或平行。在距離應(yīng)變柵端1～2 mm處用刀片各劃一刀，以切斷應(yīng)變片基片與壓痕打擊處的聯(lián)系。

3）制造壓痕和數(shù)據(jù)處理。應(yīng)變片固化1～2 h后，將固定支座大致以應(yīng)變片為中心放置在其上方，插入顯微鏡，將應(yīng)變片上的壓痕打擊點與顯微鏡中心點調(diào)節(jié)至重合。拔出顯微鏡，將壓痕打擊裝置插入底座中。按動壓痕打擊裝置上的脫扣按鈕，完成壓痕制造。此時應(yīng)變輸出C1與C2值即為壓痕后的應(yīng)變量，按“應(yīng)力”鍵，儀器內(nèi)置程序進行殘余應(yīng)力計算，S1與S2即為對應(yīng)C1和C2的應(yīng)力值。

4.3 應(yīng)力測試位置及測點

根據(jù)該項目的特征以及鋼岔管的實際情況，選擇典型部位進行應(yīng)力測試，前提，同時滿足壓痕法的測試。測試部位設(shè)置于肋板與立柱的焊縫上、管壁與肋板的焊縫。在每個測試部位布置2個測點，原始應(yīng)力測1個點，消應(yīng)后測1個點。所有測點布置在管外。在岔管消應(yīng)處理前、后各進行一次應(yīng)力測試，每次測試結(jié)束后提交正式應(yīng)力測試報告。

5 結(jié)語

目前該工程的5個岔管均已安裝完畢，采用壓痕法也均按照頻次檢測，檢測結(jié)果均達到設(shè)計要求。應(yīng)該說采用超聲波消應(yīng)法，在消應(yīng)后采取壓痕法檢測，是很成功的，岔管既尺寸大，又要求岔管焊縫消除應(yīng)力在95%以上，施工指標難度極大，而采用超聲波消應(yīng)法成功完成了此項指標，希望類似工程可以借鑒。

［1］GB/T24179-2009，金屬材料殘余應(yīng)力測定壓痕應(yīng)變法［S］.

［2］SL432-2008，水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范［S］.

TV732+.42；TG441.8

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2016-09-18