爆炸法消除應(yīng)力在電站壓力鋼管上的應(yīng)用

郭 乾，張書(shū)平，張 俊

（中國(guó)水利水電第六工程局，遼寧 丹東 118000）

1 電站概況

遼寧蒲石河抽水蓄能電站位于遼寧省丹東市寬甸滿族自治縣境內(nèi)，距丹東市約66 km。電站總裝機(jī)容量1 200 MW，單機(jī)容量300 MW，共4臺(tái)機(jī)組。電站建成后在東北電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷和事故備用功能。

電站工程引水發(fā)電系統(tǒng)共4條引水壓力鋼管。鋼管直徑為5 m，錐管段最小直徑為2.9 m，長(zhǎng)度分別為80.87～152.19 m。明管部分采用寶鋼B610CF高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼,鋼板厚度為46～58 mm。埋管部分采用Q345D鋼板，鋼板厚度為34～54 mm。

按設(shè)計(jì)要求，結(jié)合壓力鋼管實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和使用工況，B610CF高強(qiáng)鋼及厚度大于38 mm的Q345D鋼板焊縫在焊后需進(jìn)行消應(yīng)處理。按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求及DL/T5017-2007《水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定，高強(qiáng)鋼焊后不宜做熱處理消應(yīng)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定對(duì)壓力鋼管各管節(jié)縱縫進(jìn)行爆炸消應(yīng)處理[1-3]。

2 原始焊接殘余應(yīng)力分析

B610CF高強(qiáng)鋼及厚度大于38 mm的Q345D材質(zhì)的鋼管縱縫采用埋弧自動(dòng)焊進(jìn)行焊接，焊接前需清理坡口及兩側(cè)母材20 mm內(nèi)一切污物和雜質(zhì)，背面焊時(shí)需用電弧氣刨進(jìn)行清根處理。具體焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

鋼管是否進(jìn)行爆炸處理主要取決于原始焊接應(yīng)力大小，為此需首先進(jìn)行原始焊接殘余應(yīng)力分析測(cè)試。應(yīng)力測(cè)試方法選用壓痕應(yīng)變法[4-5]。

壓痕應(yīng)變法作是近年來(lái)國(guó)內(nèi)廣泛使用的一種新型無(wú)損殘余應(yīng)力測(cè)量方法，它的基本實(shí)驗(yàn)規(guī)律是相同尺寸的壓痕在殘余應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力方向上產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)隽颗c殘余彈性應(yīng)變成正比。壓痕誘導(dǎo)的應(yīng)變?cè)隽坑墒孪日迟N在構(gòu)件表面的應(yīng)變花測(cè)?。ㄒ?jiàn)圖1），通過(guò)應(yīng)變儀記錄沖擊壓痕疊加應(yīng)力場(chǎng)造成的應(yīng)變?cè)隽?，并自?dòng)輸入計(jì)算機(jī)，按預(yù)置計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算并顯示結(jié)果。該方法操作簡(jiǎn)單，適用范圍廣，表面殘余應(yīng)力測(cè)量精度高，基本無(wú)損（深度約0.2 mm）。

表1 埋弧自動(dòng)焊焊接參數(shù)

應(yīng)力測(cè)試設(shè)的型號(hào)為KJS-2；應(yīng)變計(jì)型號(hào)為BE120-1BA-zky。該系統(tǒng)由四部分組成：應(yīng)變測(cè)量部分；壓痕制造部分；計(jì)算機(jī)處理部分；固定裝置部分。

圖1 壓痕應(yīng)變法測(cè)量殘余應(yīng)力示意圖

根據(jù)壓力鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇鋼管縱縫長(zhǎng)度方向的中點(diǎn)部位，及偏離中心線一定距離L的部位布置測(cè)點(diǎn)。其中只有一條縱縫的鋼管按圖2布置測(cè)點(diǎn)；有兩條縱縫的鋼管，其中半數(shù)按圖2（a）布置測(cè)點(diǎn)，其余按圖2(b)布置測(cè)點(diǎn)。由于對(duì)稱關(guān)系，兩條縱縫不做唯一性標(biāo)識(shí)，其中一條為縱縫1，則另一條為縱縫2。為便于測(cè)試，管長(zhǎng)2 000 mm及以下的管節(jié)，除在縱縫中點(diǎn)部位布點(diǎn)外，另一布點(diǎn)部位在中點(diǎn)偏上位置；管長(zhǎng)大于2 000 mm的管節(jié)，除在縱縫中點(diǎn)部位布點(diǎn)外，另一布點(diǎn)部位在中點(diǎn)偏下位置。

圖2 單條縱縫管節(jié)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖3 兩條縱縫管節(jié)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

各個(gè)管節(jié)縱縫的殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2-6（由于數(shù)據(jù)較多，僅代表性選取羅列）。表中符號(hào)σx，σy分別表示沿焊縫方向的縱向應(yīng)力和垂直焊縫方向的橫向應(yīng)力，單位MPa。測(cè)試分內(nèi)外表面分別進(jìn)行，表中只給出了測(cè)試的最終結(jié)果，應(yīng)變數(shù)值在此忽略。

B610CF高強(qiáng)鋼測(cè)試數(shù)據(jù)表明，焊縫上的殘余應(yīng)力較高，已達(dá)到或接近材料的屈服點(diǎn)。熔合線附近的殘余應(yīng)力較焊縫稍低或相當(dāng)，熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力一般都較低，應(yīng)力分布特點(diǎn)符合一般規(guī)律。個(gè)別測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，可能與鋼管表面實(shí)際狀態(tài)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境有關(guān)。

Q345D低合金鋼測(cè)試結(jié)果表明，部分焊縫殘余應(yīng)力較低，部分焊縫殘余應(yīng)力較高，達(dá)到或接近材料屈服點(diǎn)。

產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力的因素主要包括：鋼板及焊材的實(shí)際屈服強(qiáng)度；鋼板厚度及焊接過(guò)程中的拘束度；焊接工藝的影響等。鋼管制作縱縫的焊接殘余應(yīng)力普遍較高，總體上，應(yīng)力狀況與其它同類工程相當(dāng)。高的焊接殘余應(yīng)力可能對(duì)接頭服役安全性能產(chǎn)生影響，尤其是在運(yùn)行環(huán)境溫度低、水頭壓力變化頻繁的情況下，需對(duì)鋼管進(jìn)行消應(yīng)處理以降低焊接殘余應(yīng)力。

表2 錐管δ=50 mm測(cè)試結(jié)果表

表3 錐管δ=54 mm測(cè)試結(jié)果表

表4 直管δ=58 mm測(cè)試結(jié)果表

表5 直管δ=44 mm測(cè)試結(jié)果表

表6 直管δ=54 mm測(cè)試結(jié)果表

3 爆炸消應(yīng)處理

1）爆炸炸藥。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選用的爆炸炸藥為工業(yè)導(dǎo)爆索，根據(jù)不同的鋼板材料和厚度，采用不同的藥量。炸藥爆速范圍6 500～7 000 m/s，藥條與鋼板之間事先布置防燒蝕緩沖墊。實(shí)際爆炸處理的用藥總量為4 650 m，導(dǎo)爆管50支。

2）藥條布置工藝。布藥原則為獲得合適的消除應(yīng)力效果，同時(shí)避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生宏觀變形。根據(jù)不同板厚，每米焊縫最大用藥量約140～180 g，以焊縫為中心對(duì)稱布置。焊縫的爆炸處理在內(nèi)外表面分別進(jìn)行。

3）每次引爆的炸藥用量。一次爆炸焊縫長(zhǎng)度為1～4節(jié)管節(jié)，一次用藥量最大不超過(guò)2 kg。

4 爆炸處理效果檢測(cè)

每條壓力鋼管爆炸消除應(yīng)力前后，選取其中不同厚度的管節(jié)各1個(gè)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果作為此條壓力鋼管爆炸處理的驗(yàn)收依據(jù)。應(yīng)力檢測(cè)工作均在鋼管縱縫的內(nèi)外表面進(jìn)行，內(nèi)外表面的測(cè)點(diǎn)數(shù)在爆炸處理前后均為2個(gè)。爆炸處理后殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表7（限于篇幅，這里僅給出一支壓力鋼管的數(shù)據(jù)）。

5 結(jié)語(yǔ)

1）焊后原始應(yīng)力一般在400～600 MPa之間，呈雙軸拉伸狀態(tài)。多數(shù)情況下，平行焊縫方向的應(yīng)力要高于垂直焊縫方向的應(yīng)力，結(jié)果符合一般焊接結(jié)構(gòu)的規(guī)律。

2）采用雙面爆炸處理技術(shù)，每米焊縫用藥量大約140～180 g，視工件厚度、焊縫寬度和材料強(qiáng)度而定。得到的平均消除應(yīng)力效果按原始最大應(yīng)力計(jì)算超過(guò)了60%，按材料實(shí)際屈服強(qiáng)度600 MPa考慮，效果也超過(guò)了50%。爆炸后垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力要低于平行焊縫方向的殘余應(yīng)力，兩者的平均數(shù)值均低于300 MPa。

3）此次爆炸處理結(jié)果比較理想，在保證效果的基礎(chǔ)上，沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)造成宏觀變形等破壞，滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。經(jīng)過(guò)爆炸處理的鋼管，后期的運(yùn)行安全性得到顯著提高。

[1]陳懷寧.爆炸消除焊接殘余應(yīng)力及其在水電行業(yè)中的應(yīng)用[R].第六屆全國(guó)水電站壓力管道學(xué)術(shù)會(huì)議，2006，11.

[2]DL/T5017-2007，水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].

[3]宋天民.焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與消除[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[4]陳懷寧，林泉洪，曲鵬程.壓痕應(yīng)變法測(cè)量焊縫應(yīng)力時(shí)的近似修正方法[J].焊接學(xué)報(bào)，2006.

[5]林麗華，陳立功，顧明元.用數(shù)值分析方法探討靜載壓痕殘余應(yīng)力測(cè)量方法[C].第八屆全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（2），北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：696—698.