淺談水電站鋼岔管消應(yīng)處理方法

馬小艷，王 麗

（1.扶風(fēng)縣水土保持工作站，陜西 寶雞 722299；2.扶風(fēng)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(lián)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?yōu)?.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(yīng)力

鋼岔管是鋼管直徑由7 m 變?yōu)?.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(huán)境差，焊接過程中會釋放大量的熱，焊縫周圍溫度發(fā)生急劇變化，產(chǎn)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(chǎn)生較大且不均勻的焊接殘余應(yīng)力。工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力迭加后的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)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(jīng)濟損失，還會給水電站的安全運行埋下隱患。

3 殘余應(yīng)力處理方法

目前常用的焊接殘余應(yīng)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(yīng)力常用的方法，但是退火法不適合用于大型構(gòu)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(yīng)力的消除及焊縫的質(zhì)量；爆炸法消除焊接殘余應(yīng)力是近年來出現(xiàn)的消除應(yīng)力新方法，其工藝主要是通過在焊縫及其近區(qū)表面粘貼的炸藥經(jīng)過爆轟造成的沖擊波和殘余應(yīng)力的交互作用，使金屬內(nèi)部產(chǎn)生微觀的塑形變形，從而達到降低殘余應(yīng)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(yīng)力，甚至可以造成壓縮應(yīng)力，還可以在鋼板整個厚度方向均勻消應(yīng)。

4 爆炸消應(yīng)處理

4.1 爆炸消應(yīng)準(zhǔn)備工作

在進行爆炸處理前，應(yīng)首先進行爆炸試驗，采用購買的炸藥在現(xiàn)場使用的結(jié)構(gòu)形式進行。經(jīng)業(yè)主等有關(guān)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(xiàn)場爆炸處理。

聯(lián)系當(dāng)?shù)毓矙C關(guān)購買炸藥，按照規(guī)定辦理炸藥的購買、存放和施工的所有相關(guān)手續(xù)。進入現(xiàn)場實施爆炸處理前，詳細勘察爆炸區(qū)周圍的地形環(huán)境，做到心中有數(shù)，避免發(fā)生不必要的事故。爆炸處理前通知并警示現(xiàn)場附近的生產(chǎn)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(xiàn)松動和脫落。

爆炸消除應(yīng)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(chǎn)生的沖擊波力量很大，可能對周圍的人員和設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，因此在實際爆炸處理過程中，焊縫布藥時現(xiàn)場附近的各類人員停止焊接等作業(yè)，在引爆瞬間洞內(nèi)及廠房內(nèi)的一切人員必須撤離現(xiàn)場[2]。

爆炸消應(yīng)的施工進度主要受現(xiàn)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(yīng)處理，考慮到炸藥的運輸、存放、領(lǐng)用等以及現(xiàn)場的交叉作業(yè)等因素，爆炸作業(yè)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(zhì)為Q345R 的試板進行原始殘余應(yīng)力和爆炸消應(yīng)后殘余應(yīng)力的檢測，見圖1～圖2。測試位置的數(shù)據(jù)見表1。

圖2 試板殘余應(yīng)力檢測

圖3 試板炸藥布置

表1 殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)

通過專業(yè)檢測工具對試板的原始殘余應(yīng)力和爆炸消應(yīng)后的殘余應(yīng)力進行檢測并記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可以得知，處理后的殘余應(yīng)力較處理前得殘余應(yīng)力大幅度下降，并且消應(yīng)后殘余應(yīng)力數(shù)值滿足設(shè)計要求。由此可以進行岔管消應(yīng)的相關(guān)工作。

4.3 岔管消應(yīng)

參照工藝試驗結(jié)果確定現(xiàn)場爆炸處理方案。

1）確定測點分布及數(shù)量的要求：每條環(huán)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(dāng)增加；月牙板不低于6 個。

2）依據(jù)（GB/T 26078-2010）中的爆炸處理效果的評價要求，按10%～20%的數(shù)量抽檢，測試結(jié)果作為此類構(gòu)件爆炸處理的驗收依據(jù)，爆炸處理前后應(yīng)在相似的典型部位進行應(yīng)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(jù)現(xiàn)場的具體情況適當(dāng)調(diào)整測點位置。

3）測點位置見表2。

表2 岔管消應(yīng)點布置

圖4 岔管焊縫消應(yīng)點布置圖

4）消應(yīng)結(jié)果

鋼岔管的最大原始焊接殘余應(yīng)力可以達到或超過母材的屈服強度。實施爆炸消應(yīng)工作之后，焊縫的殘余應(yīng)力明顯下降，平均剩余殘余應(yīng)力低于母材屈服強度的50%，通過消應(yīng)處理，焊接殘余應(yīng)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(jié)果可以滿足規(guī)范和設(shè)計使用要求。鋼岔管內(nèi)外表面焊縫爆炸前后應(yīng)力測試結(jié)果見表3。

表3 鋼岔管內(nèi)外表面焊縫爆炸前后應(yīng)力測試結(jié)果

續(xù)表3

5 結(jié)論

如果不及時對焊接殘余應(yīng)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(zhì)量問題。分析水電站鋼岔管焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力，以及焊接殘余應(yīng)力對鋼岔管產(chǎn)生的危害，提出可采取爆炸法消應(yīng)處理。從現(xiàn)場采集的消應(yīng)前后數(shù)據(jù)可以得出，焊縫殘余應(yīng)力明顯降低，效果良好。