豐寧抽水蓄能電站引水鋼岔管殘余應(yīng)力測試與研究

劉 蕊，余 健，白 威

（1.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024；2.內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051）

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，是當(dāng)前世界上在建裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，規(guī)劃裝機(jī)容量3600MW，為一等工程，大（1）型規(guī)模，電站樞紐建筑物包括上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、蓄能專用下水庫及攔沙庫等。豐寧抽水蓄能電站一期、二期引水隧洞工程由6條相互平行的高壓鋼管道組成，設(shè)有上平段、上斜段、中平段、下斜段和下平段，斜井角度為53°。電站采用“一管兩機(jī)”方式布置，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，下平洞鋼管與鋼岔管連接后由岔管將主管水流分流進(jìn)入機(jī)組[1]。鋼岔管采用對(duì)稱Y形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，分岔角74°，主管直徑4.8m，管內(nèi)設(shè)計(jì)流速為8.92m/s，支管直徑3.4m，管內(nèi)設(shè)計(jì)流速為8.89m/s，最大公切球直徑5.52m，為主管管徑的1.15倍，采用HD780CF高強(qiáng)鋼制造，管殼厚度66/70mm，月牙肋板厚126mm，岔管設(shè)計(jì)壓力7.47MPa，水壓試驗(yàn)壓力6.9MPa。岔管本體焊接時(shí)，岔管全部縱向、環(huán)向焊縫均采用不對(duì)稱的X形手工焊坡口，管殼與肋板的連接焊縫為不對(duì)稱的K形坡口。為減少變形和收縮應(yīng)力，施焊順序應(yīng)從構(gòu)件受周圍約束較大的部位向拘束較小的部位推進(jìn)，焊后立即對(duì)管節(jié)焊縫進(jìn)行后熱消氫處理，溫度200～240℃，保溫2h。

2 殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及危害

2.1 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

鋼岔管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為焊縫多、拘束度大，焊接過程中，焊縫周圍由于大量的熱輸入導(dǎo)致焊件溫度急劇變化，進(jìn)而產(chǎn)生可變的溫度場引起岔管發(fā)生塑性變形，岔管局部熱輸入是焊接殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的根源。隨著焊接熱輸入而變化的焊件變形和內(nèi)應(yīng)力場稱為焊接瞬態(tài)應(yīng)力與應(yīng)變；焊接后在室溫條件下殘留于焊件中的內(nèi)應(yīng)力場和宏觀變化，稱為焊接殘余應(yīng)力與焊接殘余變形[2]。在焊接溫度場中，彈性模量、熱膨脹系數(shù)等材料屬性影響熱源周圍金屬運(yùn)動(dòng)的內(nèi)拘束度；結(jié)構(gòu)因素（構(gòu)件剛性、形狀及厚度等）及制造因素（夾持狀態(tài)、工藝措施等）則決定著熱源周圍金屬的外拘束度。

焊接工程中的焊接殘余應(yīng)力和焊接殘余變形是同時(shí)存在于同一焊件中的，兩者是緊密相關(guān)的，相輔相成而又互相制約。焊接過程其實(shí)就是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過程，但由于不均勻溫度場，導(dǎo)致焊件不均勻地膨脹和收縮，從而使焊件內(nèi)部產(chǎn)生焊接應(yīng)力和材料應(yīng)變[3]。

2.2 殘余應(yīng)力對(duì)鋼岔管的危害

（1）對(duì)鋼岔管強(qiáng)度的影響。如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在焊縫缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果在應(yīng)力集中處存在殘余拉應(yīng)力，則焊接殘余拉應(yīng)力將使鋼岔管的疲勞強(qiáng)度降低。

（2）對(duì)鋼岔管剛度的影響。在水電站運(yùn)行期鋼岔管服役過程中，焊接殘余應(yīng)力與外荷載引起的工作應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，可使焊件局部材料提前屈服產(chǎn)生塑性變形，從而導(dǎo)致岔管的剛度降低。

（3）對(duì)鋼岔管穩(wěn)定性的影響。焊接殘余應(yīng)力與外荷載引起的工作應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)，可使焊件局部材料屈服或失穩(wěn)，從而導(dǎo)致岔管結(jié)構(gòu)的整體性降低。

（4）對(duì)鋼岔管結(jié)構(gòu)尺寸的影響。焊接殘余應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間、外荷載不斷重新分布變化，而岔管的結(jié)構(gòu)尺寸也將隨之變化。

（5）對(duì)鋼岔管加工精度的影響。焊接殘余應(yīng)力是岔管在空載情況下就已經(jīng)存在的初始應(yīng)力，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生對(duì)岔管的加工精度有著不同程度的影響。岔管剛度越小，加工量越大，對(duì)精度的影響越大。

（6）對(duì)鋼岔管耐腐蝕性的影響。焊接殘余應(yīng)力和外荷載引起的工作應(yīng)力同樣也能讓焊縫產(chǎn)生腐蝕開裂[4]。

（7）對(duì)鋼岔管使用壽命的影響。焊接殘余應(yīng)力和工作荷載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)會(huì)引起岔管的塑性變形及焊縫開裂等危害，降低鋼岔管使用壽命，不但給工程帶來經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)影響電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試方案

3.1 測試方案

豐寧抽水蓄能電站鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試采用無損壓痕法，在水壓試驗(yàn)前最后一個(gè)悶頭未焊接時(shí)進(jìn)行測試，應(yīng)力測試設(shè)備采用KJS-1型應(yīng)力測試系統(tǒng)及BA120-1BA（11）-ZKY型應(yīng)變計(jì)。測試原理是采用電阻應(yīng)變片作為敏感元件，通過應(yīng)變儀記錄沖擊壓痕疊加應(yīng)力場造成的應(yīng)變，并利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集；采用光電測量技術(shù)自動(dòng)讀取壓痕并傳輸至計(jì)算機(jī)；按預(yù)置固定程序進(jìn)行計(jì)算并輸出結(jié)果[5]。該系統(tǒng)由應(yīng)變測量部分、壓痕制造與測量部分、計(jì)算機(jī)處理部分、固定裝置（底座）部分共四個(gè)模塊組成。殘余應(yīng)力測試分為焊縫表面打磨處理、應(yīng)變計(jì)黏貼、打擊壓痕、應(yīng)力測試等四個(gè)步驟。

3.2 布置測區(qū)

為確保豐寧抽水蓄能電站鋼岔管水壓試驗(yàn)的安全進(jìn)行及后續(xù)應(yīng)力測試提供參考，對(duì)鋼岔管進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的測試工作，測試分別在水壓試驗(yàn)前和水壓試驗(yàn)后進(jìn)行，通過水壓試驗(yàn)前后應(yīng)力測試結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證水壓試驗(yàn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的消除程度[6]。殘余應(yīng)力測試?yán)肒JS-1型應(yīng)力測試系統(tǒng)進(jìn)行無損壓痕應(yīng)變法完成，測量時(shí)將應(yīng)變片的應(yīng)變柵分別沿著與焊縫平行和垂直的方向黏貼。根據(jù)豐寧抽水蓄能電站鋼岔管三維有限元計(jì)算結(jié)果的高應(yīng)力區(qū)、參考已建和在建同類工程高壓岔管出現(xiàn)過的高應(yīng)力區(qū)，并結(jié)合本工程岔管焊縫的實(shí)際分布特性，選取關(guān)鍵、有代表性的部位作為檢測區(qū)域，水壓試驗(yàn)前后焊接殘余應(yīng)力測試部位分布在岔管下半部具有代表性的焊縫上或其附近，選取有A、B、C、D、E、F共6個(gè)測試區(qū)域，并分別布置了4、3、3、3、3、2共計(jì)34個(gè)測試點(diǎn)，測區(qū)布置如圖1所示。

圖1 鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測區(qū)布置圖（單位：mm）Figure 1 Arrangement drawing of welding residual stress measurement area of steel bifurcated pipe（unit：mm）

3.3 測點(diǎn)標(biāo)記

豐寧抽水蓄能電站鋼岔管殘余應(yīng)力測試點(diǎn)具體為主支管連接丁字縫部位（A測區(qū)）布置4個(gè)測點(diǎn)；岔管開岔處管殼與月牙肋接縫處（B測區(qū)）布置3個(gè)測點(diǎn)；主支管連接環(huán)縫（C測區(qū)）布置3個(gè)測點(diǎn)；腰部焊縫（D測區(qū)）布置3個(gè)測點(diǎn)；支管縱縫（E測區(qū)）布置3個(gè)測點(diǎn)；外壁頂部非過流面返修環(huán)縫（F測區(qū)）布置2個(gè)測點(diǎn)。其中A、B、C、D、E五個(gè)測區(qū)的所有測點(diǎn)在3個(gè)岔管內(nèi)外壁對(duì)稱布置，F(xiàn)測區(qū)的2個(gè)測點(diǎn)只在3號(hào)岔管外壁布置，所有測區(qū)點(diǎn)位分布如圖2所示。

圖2 鋼岔管水壓試驗(yàn)殘余應(yīng)力測區(qū)點(diǎn)位分布圖Figure 2 Point distribution diagram of residual stress measurement area of steel bifurcated pipe hydraulic test

4 水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試成果與分析

從結(jié)構(gòu)特性和水力特性綜合考慮，岔管主管管節(jié)的高應(yīng)力區(qū)在鈍角區(qū)腰線處；肋旁管殼由于肋板的剛度較大，存在明顯的彎曲作用，局部彎曲應(yīng)力較大；肋板由于岔管結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，肋板不承受側(cè)向彎曲作用，沿肋板厚度方向兩側(cè)應(yīng)力相同，肋板腰部內(nèi)緣應(yīng)力高于肋板其他部位。岔管殘余應(yīng)力測試的關(guān)鍵部位為鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處，主管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面和支管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面亦應(yīng)布置測點(diǎn)。管殼測點(diǎn)在內(nèi)外壁對(duì)應(yīng)布置，以考察薄膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力。鋼岔管月牙肋板管內(nèi)測點(diǎn)布置在靠近內(nèi)緣，管外布置在月牙肋板的外緣[7]。水壓試驗(yàn)過程分為預(yù)壓試驗(yàn)和明管水壓試驗(yàn)兩個(gè)階段，試驗(yàn)過程中重點(diǎn)檢查和監(jiān)測水溫與岔管外殼溫差、焊縫外觀滲漏、岔管異常聲響、岔管外形異常變形等指標(biāo)。若實(shí)時(shí)監(jiān)測的工作應(yīng)力值接近鋼板試驗(yàn)應(yīng)力允許值，應(yīng)立即停止充水加壓試驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場分析研究，確定試驗(yàn)是否繼續(xù)進(jìn)行及下一步的應(yīng)急處理措施。鋼岔管水壓試驗(yàn)升壓及卸壓試驗(yàn)曲線如圖3所示，試驗(yàn)壓力上升和下降速率均為0.05MPa/min。

圖3 水壓試驗(yàn)正式打壓過程升壓及卸壓試驗(yàn)曲線Figure 3 Test curve of pressure increase and pressure relief during the formal pressure process of hydraulic test

根據(jù)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試方案并結(jié)合岔管焊縫分布特征，水壓試驗(yàn)前后焊接殘余應(yīng)力測試部位分布在岔管具有代表性的焊縫上或其附近，水壓試驗(yàn)岔管充水前進(jìn)行一次測試，水壓試驗(yàn)后，排干管內(nèi)的積水，再進(jìn)行一次測試[8]，即進(jìn)行兩次壓痕殘余應(yīng)力測試，水壓試驗(yàn)前后同一殘余應(yīng)力測點(diǎn)間距為20mm，測試結(jié)果見表3。表中δx、δy分別表示沿焊縫和垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力，應(yīng)力值正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力，HD780CF鋼板的標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度不低于670MPa。

表1 1號(hào)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 1 1# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖4 1號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)測試點(diǎn)殘余應(yīng)力消除率Figure 4 1# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（1）從表1及圖4結(jié)果表明，通過水壓試驗(yàn)，1號(hào)岔管的焊接殘余應(yīng)力整體呈下降趨勢，部分測點(diǎn)應(yīng)力消除效果明顯。水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于D測區(qū)3號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為668MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為565MPa，消除率15.42%；水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于A測區(qū)2號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為668MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為602MPa，消除率9.88%。水壓試驗(yàn)前岔管外壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于D 測區(qū)2號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為661MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為430MPa，消除率34.95%；水壓試驗(yàn)前岔管外壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于E測區(qū)1號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為667MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為543MPa，消除率18.59%。

表2 2號(hào)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 2# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖5 2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)測試點(diǎn)殘余應(yīng)力消除率Figure 5 2# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（2）從表2及圖5結(jié)果表明，通過水壓試驗(yàn)，2號(hào)岔管的焊接殘余應(yīng)力整體下降明顯，部分測點(diǎn)應(yīng)力消除效果較好。水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于A 測區(qū)3號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為667MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為571MPa，消除率14.39%；水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于C測區(qū)3號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為658MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為450MPa，消除率31.61%。水壓試驗(yàn)前岔管外壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于D 測區(qū)2號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為658MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為382MPa，消除率41.95%；水壓試驗(yàn)前岔管外壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于D測區(qū)2號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為568MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為85MPa，消除率85.04%。

表3 3號(hào)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 3# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖6 3號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)測試點(diǎn)殘余應(yīng)力消除率Figure 6 3# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（3）從表3及圖6結(jié)果表明，通過水壓試驗(yàn)，3號(hào)岔管的焊接殘余應(yīng)力整體有下降的趨勢，部分測點(diǎn)應(yīng)力消除明顯。水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于E 測區(qū)2號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為667MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為503MPa，消除率24.59%；水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于A測區(qū)1號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為639MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為598MPa，消除率6.42%。水壓試驗(yàn)前岔管外壁x方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于E 測區(qū)3號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為658MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為605MPa，消除率8.05%；水壓試驗(yàn)前岔管外壁y方向焊接殘余應(yīng)力最大值位于C測區(qū)3號(hào)測點(diǎn)，應(yīng)力值為636MPa，水壓試驗(yàn)后此測點(diǎn)應(yīng)力值為583MPa，消除率8.33%。

綜上所述，通過豐寧抽水蓄能電站3個(gè)鋼岔管同一測點(diǎn)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試結(jié)果的對(duì)比分析，按照殘余應(yīng)力大于500MPa的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1號(hào)鋼岔管峰值消除率達(dá)到16.56%，2號(hào)鋼岔管峰值消除率達(dá)到26.23%，3號(hào)鋼岔管峰值消除率達(dá)到22.18%。試驗(yàn)結(jié)果更加充分驗(yàn)證水壓試驗(yàn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的峰值起到有效的消減作用，鋼岔管在經(jīng)過水壓試驗(yàn)后，焊縫的殘余應(yīng)力在鋼材的屈服強(qiáng)度極限范圍之內(nèi)，具有優(yōu)良的機(jī)械性能，為水道系統(tǒng)的充排水試驗(yàn)、雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)及鋼岔管的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全保障。

5 結(jié)論

（1）從焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果總體上看，水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力值均不超過鋼材屈服強(qiáng)度，說明鋼岔管的設(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。鋼岔管制作及安裝過程中嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝設(shè)計(jì)，減少拘束應(yīng)力集中，控制線能量輸入，做好預(yù)熱、層間及后熱溫控等工藝措施，有效降低殘余應(yīng)力在焊接過程中的產(chǎn)生，控制焊接殘余應(yīng)力的工藝工法效果明顯，為后續(xù)鋼岔管的穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全裕度。

（2）經(jīng)過焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果的對(duì)比分析，表明水壓試驗(yàn)對(duì)于焊接殘余應(yīng)力峰值消除效果明顯，通過水壓試驗(yàn)，鋼岔管殘余應(yīng)力整體有下降趨勢，部分測點(diǎn)消減作用明顯，達(dá)到了通過水壓試驗(yàn)消除一定程度殘余應(yīng)力的目的，為電站后期引水系統(tǒng)的充排水試驗(yàn)及機(jī)組的雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)提供了技術(shù)分析和安全保障，同時(shí)也為工程應(yīng)用及國內(nèi)外同類型電站鋼岔管的設(shè)計(jì)方案及施工工藝提供指導(dǎo)和借鑒意義。