陳初龍,鐵朝虎,余 健,王 浩
(中國長江三峽集團(tuán)呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
呼和浩特抽水蓄能電站790MPa級高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力測試
陳初龍,鐵朝虎,余健,王浩
(中國長江三峽集團(tuán)呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
摘要:主要介紹了殘余應(yīng)力測試的方法和原理等,應(yīng)用X射線衍射法對國內(nèi)首次大規(guī)模應(yīng)用790 MPa級高強(qiáng)鋼的呼和浩特抽水蓄能電站引水系統(tǒng)壓力鋼管的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了測試,測試成果為機(jī)組充水后的壓力鋼管安全運(yùn)行提供了技術(shù)分析和檢驗(yàn)依據(jù),也為后續(xù)類似電站使用790MPa高強(qiáng)鋼板做好技術(shù)儲備。
關(guān)鍵詞:X射線衍射法;高強(qiáng)鋼;殘余應(yīng)力;測試
呼和浩特抽水蓄能電站(以下簡稱“呼蓄電站”)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的大青山區(qū),工程由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及下水庫等建筑物組成,總裝機(jī)容量為1 200MW,安裝4臺單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵-水輪機(jī)組。水道系統(tǒng)由上水庫進(jìn)出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓井、壓力管道、尾水隧洞和下水庫進(jìn)出水口組成,引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)直進(jìn)直出廠房的布置方式。2條引水系統(tǒng)的壓力鋼管相互平行,分別由上彎管段、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段及兩條支管段組成,主管直徑為5.4~4.6m,支管直徑3.2m,每條壓力管道長約1 200m,全部為鋼板襯砌,額定水頭521m。分別在距廠房上游邊墻65m和50m處布置兩個高壓鋼岔管,兩個岔管體形尺寸完全相同,采用對稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型結(jié)構(gòu),設(shè)計內(nèi)水壓力9.06MPa,采用國產(chǎn)790MPa級高強(qiáng)鋼板制造,HD值達(dá)到4 168m2,是目前國內(nèi)已建(在建)水電工程中HD值最大的鋼岔管。
2.1測試目的
呼蓄電站首次在高水頭電站大規(guī)模使用國產(chǎn)790MPa高強(qiáng)鋼板,為了進(jìn)一步研究和掌握790MPa級高強(qiáng)鋼壓力鋼管在安裝過程中,由于焊接施工、安裝條件等因素的影響,對施工過程中所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力以及焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與水平進(jìn)行量化的檢驗(yàn)測試,選取了790MPa引水壓力鋼管有代表性的地方進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,為機(jī)組充水后的壓力鋼管安全運(yùn)行提供技術(shù)分析和檢驗(yàn)依據(jù)。同時,為后續(xù)類似電站使用790MPa高強(qiáng)鋼板做好技術(shù)儲備。
2.2測試方法
殘余應(yīng)力的測試方法可以分為有損和無損兩大類。有損測試方法就是應(yīng)力釋放法,也可以稱為機(jī)械的方法;無損方法就是物理的方法。機(jī)械方法目前用得最多的是鉆孔法(盲孔法),其次還有針對一定對象的環(huán)芯法、取條法、切槽法、剝層法、壓痕應(yīng)變法等。其優(yōu)點(diǎn)是測量方法簡便,但對構(gòu)件構(gòu)成損傷,在高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)上不建議采用。物理方法中用得最多的是X射線衍射法,其他主要物理方法還有中子衍射法、磁彈法、超聲法、電子散斑干涉法等。它對被測構(gòu)件無損害,但對測試工作的技術(shù)條件要求高、勞動強(qiáng)度大、儀器成本也高。
本次焊接殘余應(yīng)力測試采用X射線衍射法。在各種無損測定殘余應(yīng)力的方法之中,X射線衍射法被公認(rèn)為最可靠和最實(shí)用的。它原理成熟,方法完善,經(jīng)歷了70余年的進(jìn)程,在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué),取得了卓著成果。
2.3測試原理
X射線殘余應(yīng)力測試方法的原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ:即一定波長的X射線照射到晶體材料上,相鄰兩個原子面衍射時的X射線光程差正好是波長的整數(shù)倍。通過測量衍射角變化Δθ從而得到晶格間距變化Δd,根據(jù)胡克定律和彈性力學(xué)原理,計算出材料的殘余應(yīng)力(見圖1)。
圖1 X射線殘余應(yīng)力測試原理
根據(jù)彈性力學(xué)理論,在宏觀各向同性晶體材料上角度φ和ψ方向的應(yīng)變可以用如下方程表述:
圖2ε與sin2對應(yīng)函數(shù)關(guān)系曲線
X射線應(yīng)力測定儀是一種簡化和實(shí)用化的X射線衍射裝置,因而它還有一項(xiàng)附加的功能──測定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件,而且能夠針對同一點(diǎn)以不同的角、角進(jìn)行測試,以探測織構(gòu)的影響,這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。
3.1測區(qū)布置原則
殘余應(yīng)力測區(qū)選在引水隧洞水平段、漸變段、岔管與支管連接焊縫、下彎段等790MPa級鋼管段,包括現(xiàn)場安裝的8處丁字縫、7處環(huán)縫以及廠內(nèi)制作的2處縱縫,每個測區(qū)包括焊縫、熔合線以及熱影響區(qū),測點(diǎn)主要為壓力鋼管在制作安裝中可能存在應(yīng)力較大以及運(yùn)行工況最不利的焊縫部位。測區(qū)在做到全覆蓋的前提下,選擇具有代表性、能全面反映引水壓力鋼管應(yīng)]力分布情況,[結(jié)合測試方案]及鋼管特性,明確了殘余應(yīng)力檢測部位分別布置在材質(zhì)為790MPa高強(qiáng)鋼焊縫上,具體位置如下:
1)1號引水壓力鋼管高壓鋼岔管的主管測1處丁字縫和1處環(huán)縫;一條支管測1處環(huán)縫。
2)1號引水壓力鋼管中平段湊合節(jié)兩條對接合攏環(huán)縫各1處丁字縫和1處環(huán)縫(共4處)。
3)1號引水壓力鋼管兩條高壓支管的第一節(jié)錐管和上游直管相連的環(huán)縫上各1處丁字縫。
4)1號引水壓力鋼管的7號彎管段1處丁字縫;2號引水壓力鋼管的8號彎管段1處腰線處的.T環(huán)r(縫)。
5)1號引水壓力鋼管下平段在管徑4.6m和3.2m(高壓支管段)的管節(jié)分別選1處丁字縫。
6)1號引水壓力鋼管兩條高壓支管最后一節(jié)管徑為2m的明管段分別選1處縱縫。
7)由壓力鋼管安裝單位根據(jù)現(xiàn)場安裝焊接返修較多的部位選取3個測區(qū)。
3.2測區(qū)表面的預(yù)處理
被測焊縫表面用角向磨光機(jī)磨除待測區(qū)域焊縫余高,露出金屬光澤。用砂紙拋光輪將測區(qū)進(jìn)行拋光,用飽和鹽水電解質(zhì)對測區(qū)進(jìn)行電解拋光,直至消除磨痕,并清晰地分辨出焊縫、熔合線和熱影響區(qū)。
在測區(qū)表面用鋼板尺和鉛筆沿焊縫垂直方向劃一條直線,確定焊縫中心0點(diǎn)和熔合線的位置,并按圖3、圖4標(biāo)出測點(diǎn)位置。σx表示與焊縫方向平行的殘余應(yīng)力,σy表示與焊縫方向垂直的殘余應(yīng)力。
圖3 環(huán)縫和縱縫測區(qū)的測點(diǎn)布置示意圖
圖4 T字縫測區(qū)的測點(diǎn)布置示意圖
4.1測試數(shù)據(jù)
2014年4月3日至2014年6月4日,內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心,對壓力鋼管材質(zhì)為790MPa高強(qiáng)鋼焊縫進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測試。測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下:
1)1號壓力鋼管中平段2個丁字縫測區(qū)和1個環(huán)縫測區(qū),共檢測50個測點(diǎn);1號壓力鋼管下彎段1個丁字縫測區(qū),測點(diǎn)21個;下平段岔管前布置測區(qū)5個,其中丁字縫測區(qū)2個,環(huán)縫測區(qū)3個,測點(diǎn)共63個;下平段岔管后布置9個測區(qū),測點(diǎn)共105個。
2)2號壓力鋼管下平段岔管前布置1個環(huán)縫測區(qū),測點(diǎn)7個;岔管后布置1個環(huán)縫測區(qū),測點(diǎn)7個。
以上總共布置測區(qū)20個,測點(diǎn)253個。
4.2測試結(jié)果分析
按照相關(guān)方制定的測試部位對2條790MPa高強(qiáng)鋼壓力鋼管中平段、下平段20個不同典型部位共計253個測點(diǎn)進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測試,每個測點(diǎn)測試平行于焊縫和垂直于焊縫兩個方向的殘余應(yīng)力??傮w上看,大部分焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)低于材料的金屬材料規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(Rp0.2)。
全部測試數(shù)據(jù)中共有5個點(diǎn)超過了790MPa級高強(qiáng)鋼的金屬材料規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(Rp0.2=665MPa)。這5個點(diǎn)分別位于1號岔管與1號支管第1管節(jié)環(huán)縫(1號岔管/Z1-1環(huán)縫)的10y測點(diǎn)(軸向殘余應(yīng)力測試值為798MPa)、1號岔管與1號支管第1管節(jié)環(huán)縫(1號岔管/Z1-1環(huán)縫)的0y測點(diǎn)(軸向殘余應(yīng)力測試值為729MPa)、1號支管第16/17管節(jié)丁字頭(Z1-16/17丁字頭)的2-15y測點(diǎn)(軸向殘余應(yīng)力測試值為 676 MPa)、1號支管第 22/23管節(jié)(Z1-22/23環(huán)縫)的-10y測點(diǎn)(軸向殘余應(yīng)力測試值為671MPa)和2號岔管與1號支管第1管節(jié)環(huán)縫(2號岔管/z1-1環(huán)縫)的0y測點(diǎn)(測試值為728MPa)。
表1 鋼管焊接殘余應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計表
另外1號壓力鋼管中平段合攏縫209/210管節(jié)丁字縫軸向殘余應(yīng)力達(dá)到657MPa,殘余應(yīng)力值較高。
從測試結(jié)果來看,支管與兩臺鋼岔管與相連的焊縫軸向殘余應(yīng)力數(shù)值較大,1號岔管/Z1-1環(huán)縫最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到798MPa,1號岔管/Z2-1環(huán)縫的最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到648MPa,2號壓力鋼管2號岔管/z1-1環(huán)縫測區(qū)環(huán)縫最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到728MPa。上述區(qū)域的其他測點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力值也偏高。
采用X射線衍射法測得的應(yīng)力數(shù)值是根據(jù)材料彈性理論計算得到,若測試數(shù)據(jù)高于材料的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(Rp0.2=665MPa),該測點(diǎn)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)只作為參考,表明該測區(qū)焊縫處焊接殘余應(yīng)力水平較高。
從殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)總體上看,大部分焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值較低。反映出壓力鋼管在安裝過程中控制殘余應(yīng)力的工藝措施能得到有效控制。
引水壓力鋼管790MPa高強(qiáng)鋼材料的斷后伸長率供貨指標(biāo)大于15%,具有較好的塑性。在內(nèi)水壓力工況下,靜載的工作應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加,材料尚具有足夠的塑性裕量。但應(yīng)注意在交變載荷作用下,動應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加,對材料的變形性能有不利影響。
幾處焊縫殘余應(yīng)力較大數(shù)值均為軸向拉應(yīng)力,表明該處焊縫焊接時受到了較大的外部拘束。建議加強(qiáng)對焊接殘余應(yīng)力水平較高的相關(guān)部位進(jìn)行定期無損檢測,確保鋼管安全運(yùn)行。
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中圖分類號:TG40
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
文章編號:1672-5387(2015)06-0039-04
DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.011
收稿日期:2015-04-01
作者簡介:陳初龍(1964-),男,高級工程師,從事水電站設(shè)備物資質(zhì)量管理工作。