水電站鋼岔管殘余應(yīng)力測(cè)試與分析

關(guān) 磊，余鵬翔，邱叢威

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310024)

1 概述

鋼岔管是指壓力鋼管分岔處的管段，一般包括主管、錐形管和支管，由于岔管處于輸水壓力鋼管的關(guān)鍵部位，主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)厚度較大。國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站鋼岔管為對(duì)稱(chēng)“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型，材質(zhì)為國(guó)產(chǎn)800MPa高強(qiáng)鋼，主、支管壁厚度均為66mm，月牙肋板厚138mm，承受內(nèi)水頭高，HD值世界前茅。

鋼岔管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鋼板厚、焊縫多、約束度大，在焊接過(guò)程中雖然采取成熟的焊接工藝，但焊接是一個(gè)局部熔化、局部高溫、溫度梯度極高、溫度快速升高或快速下降，并且發(fā)生結(jié)晶和相變的過(guò)程。在實(shí)際操作中，不可避免地出現(xiàn)焊縫高溫區(qū)的膨脹受到周邊低溫區(qū)的限制與擠壓，使高溫區(qū)域產(chǎn)生局部壓縮塑性變形，焊接部位在冷卻過(guò)程中，塑性變形未能自由收縮，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

由于焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與外加載荷的應(yīng)力一樣，是促成應(yīng)力腐蝕的因素之一，會(huì)降低鋼岔管抗脆斷性和抗腐蝕能力，嚴(yán)重影響設(shè)備質(zhì)量[1]。若高殘余應(yīng)力區(qū)存在焊接缺陷，會(huì)降低該處?kù)o載強(qiáng)度，在水流沖擊下，則會(huì)加劇應(yīng)力集中處的金屬疲勞，可能導(dǎo)致焊縫應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，也可能使焊件局部屈服或失穩(wěn)，進(jìn)而影響鋼岔管的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性。因此，在鋼岔管安裝前必須消除殘余應(yīng)力，以保證鋼岔管安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在水電站引水系統(tǒng)中，水壓試驗(yàn)作為消除殘余應(yīng)力的主要工藝方法得到廣泛地應(yīng)用[2-3]。水壓試驗(yàn)不但可以使殘余應(yīng)力重新分布，消除鋼岔管的尖端應(yīng)力及施工附加變形，達(dá)到對(duì)鋼岔管的局部削峰作用[4]，提高鋼岔管整體抗脆斷和抗應(yīng)力腐蝕能力，而且可以檢驗(yàn)鋼岔管的制作和焊接施工質(zhì)量，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性[5]。

2 殘余應(yīng)力測(cè)試

本次水壓試驗(yàn)的最高壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.25倍，為檢驗(yàn)水壓試驗(yàn)消除殘余應(yīng)力的效果[6]，選取殘余應(yīng)力較大的區(qū)域在水壓試驗(yàn)前后分別進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。為使測(cè)試數(shù)據(jù)具有對(duì)比價(jià)值和科學(xué)意義，水壓試驗(yàn)前后選取同一位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。

工程現(xiàn)場(chǎng)常用的殘余應(yīng)力無(wú)損測(cè)定方法主要有壓痕應(yīng)變法、X射線(xiàn)衍射法、超聲法等[7]。壓痕應(yīng)變法是一種利用球形壓痕誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽繙y(cè)定殘余應(yīng)力的方法[8]，操作簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是只能用于平面應(yīng)力的測(cè)定，而且測(cè)試數(shù)據(jù)的處理比較復(fù)雜。超聲法的特點(diǎn)是方向性好、穿透能力強(qiáng)，可以檢測(cè)試樣表面以及大體積范圍的內(nèi)部殘余應(yīng)力，但其受材料各向異性、環(huán)境溫度、探頭與構(gòu)件之間耦合的影響較大，常常需要標(biāo)定試驗(yàn)，而且其主要應(yīng)用于大范圍體積內(nèi)殘余應(yīng)力的測(cè)定，無(wú)法獲取局部殘余應(yīng)力的大小與狀態(tài)分布。盲孔法測(cè)殘余應(yīng)力也在一些工程上有所應(yīng)用[9]，但是半無(wú)損的檢測(cè)特點(diǎn)限制了它的使用。X射線(xiàn)衍射法是利用晶面間距隨應(yīng)力變化來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力的[10-11]，其理論和實(shí)踐都比較成熟，因此，本次采用X射線(xiàn)測(cè)定儀進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)試。

2.1 測(cè)試原理

X射線(xiàn)測(cè)定殘余應(yīng)力原理基于X射線(xiàn)衍射理論[12]，相關(guān)的布拉格公式如下：

2dsinθ=nλ

(1)

式中，n—整數(shù)；θ—布拉格角，是入射線(xiàn)和微觀(guān)的晶面之間的夾角，2θ則是入射線(xiàn)的正方向同反射線(xiàn)之間的夾角，又稱(chēng)為衍射角，公式中有三個(gè)變量d、θ、λ。當(dāng)晶體中存在應(yīng)力時(shí)，必然有應(yīng)變發(fā)生，而應(yīng)變又必然表現(xiàn)在晶面間距d的變化上。這樣，可以用已知波長(zhǎng)λ的X射線(xiàn)去照射該晶體，測(cè)出衍射角2θ的變化，按照布拉格公式求出晶面間距d的變化，計(jì)算出應(yīng)力值。

2.2 測(cè)區(qū)和測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)鋼岔管三維有限元的計(jì)算結(jié)果，結(jié)合鋼岔管焊縫的實(shí)際分布特性，選取關(guān)鍵、有代表性的高應(yīng)力區(qū)作為殘余應(yīng)力測(cè)試區(qū)域，本次采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)[13]確定這些高應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力集中區(qū)作為測(cè)試區(qū)域，選取A、B、C、D、E 5個(gè)測(cè)試區(qū)域，測(cè)區(qū)布置如圖1所示。

圖1 殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)布置示意圖

打磨去除測(cè)區(qū)內(nèi)的焊縫余高，使之與兩側(cè)的母材齊平，并使用電解拋光技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行電解拋光，以去除引入的磨削應(yīng)力并保持拋光區(qū)域光滑，并清晰顯示母材和焊縫的熔合線(xiàn)為宜。

測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)分布示意如圖2所示，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)選擇5個(gè)測(cè)點(diǎn)，以焊縫中心作為中心測(cè)點(diǎn)0，焊縫兩側(cè)熔合線(xiàn)處各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為+1和-1測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)距熔合線(xiàn)5mm的母材處各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為+2和-2測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)試X向即平行于焊縫方向和Y向即垂直于焊縫方向的應(yīng)力值。

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2.3 測(cè)試結(jié)果及分析

殘余應(yīng)力測(cè)試共計(jì)5個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)測(cè)試10個(gè)應(yīng)力值：X向5個(gè)、Y向5個(gè)，共計(jì)50個(gè)分量殘余應(yīng)力值。應(yīng)力測(cè)試值及應(yīng)力降低率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，環(huán)向焊縫測(cè)區(qū)B和縱向焊縫測(cè)區(qū)C測(cè)試數(shù)據(jù)分別用柱狀圖表示，如圖3和圖4所示。

圖3 B測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力值比較

圖4 C測(cè)區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力值比較

(1)由表1可以看出，水壓試驗(yàn)前殘余應(yīng)力測(cè)試5個(gè)測(cè)區(qū)的最大應(yīng)力值為584MPa，位于B測(cè)區(qū)的焊縫中心點(diǎn)，為X向應(yīng)力值；其余應(yīng)力值均在最低屈服強(qiáng)度685MPa的83%以下，說(shuō)明鋼岔管的設(shè)計(jì)方案及施工工藝等參數(shù)選取是科學(xué)合理的，鋼板及焊接材料的選擇是正確可行的，沒(méi)有產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。

表1 水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測(cè)試值與應(yīng)力降低率統(tǒng)計(jì)

(2)從單測(cè)點(diǎn)應(yīng)力降低率統(tǒng)計(jì)可以看出：除B區(qū)域、E區(qū)域各有一點(diǎn)降低率為負(fù)值外(這兩處殘余應(yīng)力均屬低應(yīng)力值)，其余測(cè)點(diǎn)降低率均為正值，說(shuō)明水壓試驗(yàn)降低或均化殘余應(yīng)力效果明顯；水壓試驗(yàn)前，殘余應(yīng)力值在466MPa以上的測(cè)點(diǎn)共計(jì)12個(gè)，水壓試驗(yàn)后，殘余應(yīng)力降低率為14.01%～59.81%，除其中有一編號(hào)為A+2的測(cè)點(diǎn)Y向應(yīng)力降低率為14.01%外，其余均在20%以上。由此可見(jiàn)，水壓試驗(yàn)對(duì)殘余應(yīng)力具有消峰作用，尤其對(duì)最低屈服強(qiáng)度68%以上的殘余應(yīng)力峰值的消除效果明顯。

(3)從各測(cè)區(qū)平均應(yīng)力降低率統(tǒng)計(jì)可以看出：在環(huán)向焊縫測(cè)區(qū)A、B、D、E內(nèi)，X向平均應(yīng)力降低率分別為28.59%、34.13%、24.52%、30.25%，明顯高于同一測(cè)區(qū)Y向平均應(yīng)力降低率11.29%、10.62%、12.88%、15.53%，而在縱向焊縫測(cè)區(qū)C內(nèi)，Y向平均應(yīng)力降低率為33.69% 明顯高于同一測(cè)區(qū)X向平均應(yīng)力降低率11.81%。由此可見(jiàn)，水壓試驗(yàn)對(duì)環(huán)向焊縫的X向應(yīng)力降低效果比較明顯，對(duì)鋼岔管縱向焊縫的Y向應(yīng)力降低效果比較明顯。

(4)水壓試驗(yàn)后，同一測(cè)區(qū)殘余應(yīng)力值比較均勻，分布較為合理，各測(cè)區(qū)殘余應(yīng)力值均在最低屈服強(qiáng)度的65%以下，符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)水壓試驗(yàn)前，測(cè)區(qū)內(nèi)雖有個(gè)別測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力值較大，但均在鋼材最低屈服強(qiáng)度的85%以下，說(shuō)明鋼岔管的設(shè)計(jì)方案及施工工藝等參數(shù)的選取是科學(xué)合理的，鋼板及焊接材料的選擇是正確可行的。

(2)水壓試驗(yàn)后，應(yīng)力降低率除有兩處屬低殘余應(yīng)力測(cè)點(diǎn)為負(fù)值外，其余測(cè)點(diǎn)降低率均為正值，水壓試驗(yàn)降低或均化殘余應(yīng)力效果明顯；水壓試驗(yàn)對(duì)殘余應(yīng)力具有消峰作用，尤其對(duì)最低屈服強(qiáng)度68%以上的殘余應(yīng)力峰值消除效果明顯。

(3)鋼岔管水壓試驗(yàn)對(duì)環(huán)向焊縫的X向應(yīng)力降低效果比較明顯，對(duì)縱向焊縫的Y向應(yīng)力降低效果比較明顯。

(4)水壓試驗(yàn)后，同一測(cè)區(qū)殘余應(yīng)力值比較均勻，分布較為合理，各測(cè)區(qū)殘余應(yīng)力值均在最低屈服強(qiáng)度的65%以下，符合設(shè)計(jì)要求。