王星，葉建建，潘利坦

某水電廠蝶閥安裝合攏焊縫拘束應(yīng)力施工監(jiān)測(cè)

王星，葉建建，潘利坦

（華電電力科學(xué)研究院，浙江杭州310030）

水電廠蝶閥安裝焊縫實(shí)際就是壓力鋼管與金屬蝸殼端的合攏焊縫。蝶閥安裝時(shí)，金屬蝸殼與壓力鋼管均已經(jīng)與錨筋固定、并已澆筑混凝土。此時(shí)蝶閥安裝焊接施工，由于焊縫收縮而使焊縫承受強(qiáng)大的拘束應(yīng)力，焊縫易于產(chǎn)生焊接裂紋。為保證蝶閥安裝焊縫的順利施工，對(duì)合攏焊縫進(jìn)行焊接拘束應(yīng)力的施工監(jiān)測(cè)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，從而指導(dǎo)蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工。

蝶閥；合攏焊縫；焊縫拘束應(yīng)力；焊接

0 引言

某水電廠擴(kuò)建工程項(xiàng)目總裝機(jī)容量為80MW。新建樞紐建筑物由引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房及開關(guān)站等主要建筑物組成。引水隧洞布置在左岸，總長(zhǎng)7126m，隧洞開挖洞徑10.5m，圓型斷面，襯砌后內(nèi)徑為9.0m；調(diào)壓室后的高壓管道用內(nèi)襯鋼管與廠房連接起來，壓力管道為圓型，主管開挖洞徑8.8m，支管開挖洞徑6.2m，采用鋼板襯砌。

圖1為蝶閥安裝合攏焊縫位置示意圖。蝶閥安裝時(shí)，金屬蝸殼與壓力鋼管均已經(jīng)與錨筋固定、并已經(jīng)澆筑了回填混凝土。如果伸縮節(jié)存在制造安裝誤差而使其位移補(bǔ)償功能受到限制，那么當(dāng)?shù)y安裝焊接施工時(shí)，由焊縫收縮引起的焊接拘束應(yīng)力仍將明顯地存在，易于產(chǎn)生焊接裂紋[1，2]。

蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工監(jiān)測(cè)，就是利用現(xiàn)代測(cè)試手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析鋼管合攏焊縫的焊接拘束應(yīng)力，指導(dǎo)蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工，同時(shí)也分析伸縮節(jié)在實(shí)際邊界條件下的運(yùn)行工作情況。

圖1 蝶閥安裝合攏焊縫位置示意圖

1 施工監(jiān)測(cè)方案

1.1 測(cè)量原理

合攏焊縫焊接施工的拘束應(yīng)力監(jiān)測(cè)，采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量方法。利用電阻應(yīng)變片測(cè)定結(jié)構(gòu)指定部位的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)。測(cè)量時(shí)，將電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）固定在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化。通過電阻應(yīng)變儀，可以將應(yīng)變片中的阻值變化測(cè)量出來并以以用儀器記錄傳輸。

電阻應(yīng)變法測(cè)量可以用下式表示：

式中ε—應(yīng)變儀測(cè)得的應(yīng)變值；若被測(cè)部位在彈性范圍內(nèi)工作，對(duì)測(cè)得的應(yīng)變值，可以采用虎克定律換算得到對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

dR/R—應(yīng)變片阻值隨構(gòu)件變形而發(fā)生的相對(duì)變化；

k—比例系數(shù)（靈敏系數(shù)）。

1.2 測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)

采用穩(wěn)定性最優(yōu)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)：施工監(jiān)測(cè)的時(shí)間跨度48h以上，所以應(yīng)采用抗溫度漂移及抗零漂性能最優(yōu)的應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)。其中：

①應(yīng)變片：采用BX120-3BA兩向垂直的高精度箔式電阻應(yīng)變片。

②應(yīng)變儀：無線數(shù)字信號(hào)傳輸應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。

③測(cè)量導(dǎo)線：由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在電磁等干擾，數(shù)據(jù)采集過程中采用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)采集屏蔽線，減少測(cè)量誤差。

④同時(shí)備好220V電源線，保證應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的及時(shí)充電。

1.3 拘束應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

蝶閥已吊裝就位并“點(diǎn)對(duì)”完畢，在焊接施工前，需提前布設(shè)應(yīng)變計(jì)，然后隨有關(guān)焊縫的焊接順序依次實(shí)施拘束應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在距合攏焊縫中心50cm的圓周斷面（圖1中I-I斷面）上。每條環(huán)縫8個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿圓周“8等分”分布；各測(cè)點(diǎn)均采用X Y雙向應(yīng)變計(jì)，其中，沿鋼管軸心為Y方向，沿鋼管圓周為X方向。

圖2 觀測(cè)斷面拘束應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

2 焊接施工監(jiān)測(cè)

2.1 應(yīng)變片粘貼及接線

應(yīng)變片粘貼前需對(duì)構(gòu)件表面進(jìn)行打磨到平整光滑，并用丙酮或酒精清洗；被測(cè)點(diǎn)精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位；進(jìn)行粘貼應(yīng)變片和引線端子；待貼片自然干燥后，利用專業(yè)的705透明密封膠對(duì)應(yīng)變片密封處理。將應(yīng)變片的兩根導(dǎo)線引出線焊在接線端子上，再連接帶有相同編號(hào)的信號(hào)線。

應(yīng)變片粘貼干燥12h后，對(duì)貼片構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試。貼片和連接導(dǎo)線過程中注意對(duì)編號(hào)后的應(yīng)變片與編號(hào)后的導(dǎo)線一一對(duì)應(yīng)。

2.2 溫度補(bǔ)償方案

采用溫度公共補(bǔ)償“半橋測(cè)量回路”。每2個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)一個(gè)溫度補(bǔ)償片。

2.3 焊接施工順序

蝶閥安裝合攏焊縫采用兩名全位置優(yōu)秀焊工“對(duì)稱同步分段”施焊，保證合攏焊縫所受的外界拘束力在宏觀上是對(duì)稱的。

2.4 施工監(jiān)測(cè)

每小時(shí)均對(duì)合攏焊縫的施焊作拘束應(yīng)力靜態(tài)測(cè)定[3，4]；

每次靜態(tài)應(yīng)力測(cè)量時(shí)均采用“紅外測(cè)溫儀”測(cè)定應(yīng)變測(cè)量時(shí)的各測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)；保證每次應(yīng)力測(cè)量時(shí)的溫度基本相同[3，4]（在可比條件下溫差不超過2℃）。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)湊合節(jié)的焊接施工全過程，實(shí)時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

根據(jù)廣義虎克定律，求得各測(cè)點(diǎn)的拘束應(yīng)力數(shù)據(jù)。

式中σx—鋼管x向主應(yīng)力，MPa；

σy—鋼管y向主應(yīng)力，MPa；

εy—鋼管y向主應(yīng)變；

εx—鋼管x向主應(yīng)變；

E—被測(cè)材料的彈性模量，MPa；

μ—被測(cè)材料的泊松比。

2.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

分別列舉1#、2#蝶閥合攏焊縫應(yīng)力監(jiān)測(cè)中出現(xiàn)最大拘束應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖3為1#蝶閥合攏焊縫測(cè)點(diǎn)8的拘束應(yīng)力趨勢(shì)線。

圖4為2#蝶閥合攏焊縫測(cè)點(diǎn)3的拘束應(yīng)力趨勢(shì)線。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工拘束應(yīng)力的實(shí)時(shí)測(cè)量表明：

（1）合攏焊縫拘束應(yīng)力隨著焊接施工進(jìn)程而逐漸增大。其中：1#蝶閥合攏焊縫的最大拘束應(yīng)力出現(xiàn)在8測(cè)點(diǎn)（σx=-52.96MPa，σy=-48.55MPa）焊接收尾時(shí)段；2#蝶閥合攏焊縫的最大拘束應(yīng)力出現(xiàn)在3測(cè)點(diǎn)焊接中時(shí)段（σx=-38.16MPa，σy=-53.46MPa）及收尾時(shí)段（σx= -26.24MPa，σy=-59.81MPa）。

（2）從兩個(gè)蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，大部分測(cè)點(diǎn)（或大部分時(shí)段）的軸向拘束應(yīng)力普遍大于周向拘束應(yīng)力，這符合焊接的實(shí)際拘束條件。

（3）在兩個(gè)蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工的前半程中，有少數(shù)測(cè)點(diǎn)的拘束應(yīng)力呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)（多數(shù)為周向拘束應(yīng)力σx），但數(shù)值均在+20MPa以下。

（4）在合攏焊縫焊接完成時(shí)，拘束應(yīng)力的軸向、周向基本均壓應(yīng)力狀態(tài)，這對(duì)壓力鋼管實(shí)際承受工作應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力疊加是有利的。

（5）兩個(gè)伸縮節(jié)均存在一定的制造誤差而導(dǎo)致其位移補(bǔ)償?shù)牟怀浞帧牡y安裝合攏焊縫的焊接施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該電廠蝶閥安裝合攏焊縫的拘束應(yīng)力水平與“大型水電站壓力管道采用湊合節(jié)替代伸縮節(jié)”的情況是比較接近的。

（6）從兩個(gè)蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工監(jiān)測(cè)分析表明：該電廠蝶閥安裝合攏焊縫的拘束應(yīng)力不會(huì)造成明顯的不利影響。

圖3 1#蝶閥測(cè)點(diǎn)8應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

圖4 2#蝶閥測(cè)點(diǎn)3應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線

4 結(jié)語

通過對(duì)合攏焊縫進(jìn)行焊接拘束應(yīng)力的施工監(jiān)測(cè)，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，從而指導(dǎo)蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工，分析合攏焊縫焊接應(yīng)力狀況，可作為相關(guān)水電廠蝶閥合攏焊縫的工程做借鑒參考。

[1]DL/T 5141-2001，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]SL 281-2003，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]DL/T 678-1999，電站鋼結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件[S].

[4]SL 36-2006，水工金屬結(jié)構(gòu)焊接通用技術(shù)條件[S].

Constraint Stress Construction Monitoring of Butterfly Valve Field Closured Weld Joint in Hydropower Station

WANG Xing，YE Jian-jian，PAN Li-tan
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Butterfly valve field weld joint is actually the closured weld joint of steel penstock and spiral case.Steel penstock and spiral case are fixed by anchor bar and poured with concrete when the butterfly valve is in installation.The weld joints are more prone to welding crack because of strong weld shrinkage-induced constraint stress.In order to the completion of butterfly valve field closured weld joint，field construction monitoring methods are taken.It can instruct butterfly valve field closured weld joint and welding procedure in welding construction according to measurement data and analysis.

butterfly valve；closured weld joint；constraint stress；welding

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.01.012

TV732＋.7

B

2095-3429（2015）01-0049-03

2014-08-25

修回日期：2014-10-31

王星（1985-），男，黑龍江人，碩士研究生，中級(jí)工程師，主要從事水電廠金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)及評(píng)估咨詢工作。