靳紅澤，曹佳麗，杜雅楠，趙 強

（1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南省鄭州市 450044；2.國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟研究院，北京市 100053）

0 引言

在常規(guī)水電站或抽水蓄能電站中常采用“一管兩機”或“一管多機”方式布置，引水系統(tǒng)布置了鋼岔管，大多數(shù)鋼岔管采用對稱或非對稱Y形內(nèi)加強月牙肋結(jié)構(gòu)。隨著設(shè)計水頭的提高和機組容量增加，內(nèi)加強月牙肋式鋼岔管呈現(xiàn)以下特點：岔管體形較大，通常需在施工現(xiàn)場組對焊接；鋼岔管結(jié)構(gòu)型式?jīng)Q定了鋼岔管焊縫較多，且剛度較大；瓦片普遍采用高強鋼中厚板卷制，焊接工作量大。由于鋼岔管以上的結(jié)構(gòu)特點，組對時會產(chǎn)生較高的焊接殘余應(yīng)力，通常無法通過焊后熱處理來消除。

為達到消除焊接殘余應(yīng)力的目的，工程上常采用爆炸法、振動時效法和岔管整體水壓試驗等方法。根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求，整體水壓試驗的主要目的是檢驗鋼岔管制作質(zhì)量，但由于水壓試驗的試驗壓力通常達到設(shè)計水頭的1.25倍，水壓外載荷疊加殘余應(yīng)力也會達到過載拉伸消應(yīng)的目的，而常被用作鋼岔管消應(yīng)的手段。

水壓試驗消應(yīng)的程度究竟能達到多少？采用何種指標(biāo)來評價水壓試驗的消應(yīng)效果？行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)沒有給出參考指標(biāo)和相關(guān)數(shù)據(jù)。本人結(jié)合多年來從事鋼岔管水壓試驗殘余應(yīng)力測試的工程實例，探討水壓試驗焊接殘余應(yīng)力消應(yīng)的效果評價和測試方法要求的問題。

1 鋼岔管消除焊接殘余應(yīng)力的必要性

1.1 焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生

鋼岔管分叉引水特點使其采用內(nèi)加強結(jié)構(gòu)的不規(guī)則受壓容器類結(jié)構(gòu)，剛度較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。正常工作時，鋼岔管可能存在局部高應(yīng)力區(qū)。鋼岔管通常為帶有內(nèi)加強板的特殊板殼結(jié)構(gòu)，焊縫數(shù)量多，焊接時拘束度較大。岔管的HD值（主管直徑D×水頭H）越來越大，目前最大的鋼岔管其HD值達到4140mm·m[1]，而隨著鋼岔管HD值的增加，大量使用了從600MPa級到800MPa級的高強鋼板材，目前已經(jīng)開始了1000MPa級高強鋼岔管的前期研究，相信隨著技術(shù)的不斷進步，會逐步應(yīng)用到水電站工程中。

焊接是一個不均勻的加熱和冷卻過程。受到周圍母材的約束作用，焊接熱輸入造成焊縫局部發(fā)生不均勻的塑性變形，冷卻到室溫后無法恢復(fù)到原有狀態(tài)，焊縫產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形。殘余應(yīng)力在構(gòu)件的內(nèi)部平衡，是焊接過程中無法避免的，其存在對于鋼岔管的運行有較大的影響。

1.2 焊接殘余應(yīng)力對鋼岔管的影響

1.2.1 對構(gòu)件焊接缺陷的影響

鋼岔管采用的高強鋼為低焊接裂紋敏感性高強鋼，但隨著材料強度的提高，其母材碳當(dāng)量或焊接裂紋敏感性指數(shù)也增加，在過高的焊接殘余應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生熱影響區(qū)冷裂紋。因此在工程上采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷、降低拘束度等措施配合必要的焊接材料烘干措施和焊縫多層多道合理排列、適當(dāng)?shù)暮附禹樞騺頊p少焊接冷裂紋的出現(xiàn)。

1.2.2 對鋼岔管強度的影響

如果焊接殘余拉應(yīng)力過高且存在焊縫缺陷，焊接殘余應(yīng)力將使靜載強度降低，構(gòu)件會提前破壞而失效。對于需要頻繁啟動的抽水蓄能電站來說，如果在應(yīng)力集中處存在較大的殘余拉應(yīng)力，在循環(huán)應(yīng)力作用下，將使鋼岔管的疲勞強度降低[2]。

1.2.3 對穩(wěn)定性的影響

焊接殘余應(yīng)力與外載引起的應(yīng)力疊加，使結(jié)構(gòu)局部提前屈服或局部失穩(wěn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性降低。

2 鋼岔管焊接殘余應(yīng)力的分布特點

2.1 鋼岔管焊接殘余應(yīng)力分布的常見特征

鋼岔管設(shè)計所用板材通常為高強鋼中厚板，板材抗拉強度為600～800MPa級，設(shè)計板厚為50～150mm，對稱或非對稱“X”形焊接坡口，如圖1所示[1]。焊接方法為焊條電弧焊，焊道排列采用多層多道焊。

圖1 坡口形式和尺寸Figure 1 Welding groove type and size

如圖2顯示對焊縫中的測點測試了兩個方向的殘余應(yīng)力數(shù)值，分別為平行于焊縫方向和垂直于焊縫方向。對于環(huán)縫來說，平行于焊縫的為環(huán)向殘余應(yīng)力，垂直于焊縫的為軸向殘余應(yīng)力；而對于縱縫來說，則剛好相反。從圖2中還可以看出，本例中焊縫中的殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，數(shù)值分布有高有低，有幾個點的殘余應(yīng)力數(shù)值高于0.5σs，最大焊接殘余應(yīng)力值距離焊縫中心5mm處。

2.2 殘余應(yīng)力分布的特征參數(shù)

根據(jù)圖2焊接殘余應(yīng)力分布示意圖，描述鋼岔管焊縫殘余應(yīng)力狀態(tài)采用以下參數(shù)。

圖2 焊縫表面殘余應(yīng)力分布示意圖Figure 2 Schematic diagram of residual stress distribution on the weld surface

2.2.1 殘余應(yīng)力最大值σmax、峰值σp和最小值σmin

殘余應(yīng)力最大值σmax和最小值σmin分別為測區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力的最大值和最小值。規(guī)定水壓試驗前超過0.5σs的殘余應(yīng)力值為峰值，用σp表示，相應(yīng)的測點稱為峰值點。一個測區(qū)內(nèi)可能有多個峰值，但最大值只有一個。對應(yīng)于每一個峰值點在水壓試驗后的殘余應(yīng)力測試值記為σp后，峰值反映了測區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力的最高水平，也即反映了鋼岔管焊后殘余應(yīng)力的危害程度。峰值點為水壓試驗消應(yīng)關(guān)注的焦點。根據(jù)行業(yè)設(shè)計規(guī)范，設(shè)計水頭下外載荷引起的工作應(yīng)力一般不超過0.5σs，考慮到水壓試驗為機械拉伸消應(yīng)的機理，殘余應(yīng)力達到0.5σs以上的點才有可能產(chǎn)生消應(yīng)效果。

2.2.2 殘余應(yīng)力平均值σa

所有測區(qū)水壓試驗前殘余應(yīng)力的算術(shù)平均值規(guī)定為殘余應(yīng)力平均值，用σa表示；所有測區(qū)水壓試驗后殘余應(yīng)力的算術(shù)平均值，用σa后表示，平均值反映了測區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力的平均水平。

2.2.3 殘余應(yīng)力幅度差σd和均化程度σh

水壓試驗前測區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力最大值和最小值之差規(guī)定為殘余應(yīng)力幅度差，記為σd，即σd=σmax-σmin，水壓試驗后測區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力最大值和最小值之差規(guī)定為殘余應(yīng)力均化程度，記為 σh，即 σh=σmax后-σmin后，殘余應(yīng)力幅度差反映了測區(qū)內(nèi)的殘余應(yīng)力波動范圍。

3 鋼岔管水壓試驗消應(yīng)效果評價方法及對測試方法的要求

3.1 鋼岔管水壓試驗消應(yīng)效果評價指標(biāo)

在鋼岔管水壓試驗前后分別進行殘余應(yīng)力測試，建議按下述指標(biāo)評價水壓試驗消應(yīng)效果。

3.1.1 殘余應(yīng)力峰值消除率Rp

分別在水壓試驗前后測試焊接殘余應(yīng)力，并計算所有峰值點σp的算術(shù)平均值以及原峰值點水壓試驗后的殘余應(yīng)力測試值σp后的算術(shù)平均值。則水壓試驗殘余應(yīng)力峰值消除率Rp可表示為：

式中：Rp——殘余應(yīng)力峰值消除率；

3.1.2 殘余應(yīng)力平均消除率Ra

殘余應(yīng)力平均消除率記為Ra，根據(jù)2.2.2的規(guī)定，Ra可表示為：

式中：Ra——殘余應(yīng)力平均消除率；

σa——殘余應(yīng)力平均值，MPa；

σa后——水壓試驗后的殘余應(yīng)力測試值，MPa。

3.1.3 殘余應(yīng)力均化程度σh

根據(jù)2.2.3規(guī)定，水壓試驗后的殘余應(yīng)力均化程度σh，就是水壓試驗后的最大最小殘余應(yīng)力差。需要說明的是，水壓試驗后可能使最大值和最小值的位置發(fā)生改變，需要按水壓試驗后實際情況進行比較計算。

3.2 消應(yīng)效果評價指標(biāo)應(yīng)用和參考值探討

近年來進行了國內(nèi)多臺鋼岔管水壓試驗消應(yīng)實踐，并進行了水壓試驗前后殘余應(yīng)力測試對比。從測試結(jié)果看，水壓試驗對于鋼岔管焊接殘余應(yīng)力平均消除率達到30%左右，殘余應(yīng)力峰值消除率可達到44%或更高[2]，說明鋼岔管整體水壓試驗對焊接殘余應(yīng)力消應(yīng)效果明顯，與其他消應(yīng)方法相比較具有較大的優(yōu)勢。

由于承受內(nèi)水壓力時，環(huán)向內(nèi)應(yīng)力較軸向應(yīng)力大得多，可能會使環(huán)向和軸向殘余應(yīng)力消除程度有較大的區(qū)別。因此工程上也可以將殘余應(yīng)力按應(yīng)力方向分別統(tǒng)計計算，這樣更科學(xué)和合理。

對于殘余應(yīng)力均化程度，希望殘余應(yīng)力均化程度值越低越好。在殘余應(yīng)力峰值能夠大幅下降的同時，殘余應(yīng)力波動范圍變小，對于結(jié)構(gòu)的承載無疑是有益的。

3.3 對殘余應(yīng)力測試方法的要求

從以上分析可以看出，焊接殘余應(yīng)力分布是接頭在焊接過程中產(chǎn)生的復(fù)雜的能量和變形相互作用的結(jié)果，從統(tǒng)計學(xué)的觀點看，總體有一定的規(guī)律性，但從實際測試結(jié)果看，由于鋼岔管結(jié)構(gòu)的特殊性，各測區(qū)的應(yīng)力分布以及每個測區(qū)內(nèi)各測點的應(yīng)力都不相同，這就給殘余應(yīng)力的分析帶來了一定的難度。為全面地反映鋼岔管整體殘余應(yīng)力水平和分布情況，使上述指標(biāo)盡可能真實地反映殘余應(yīng)力消除程度，在應(yīng)用以上指標(biāo)評價實際的殘余應(yīng)力消應(yīng)效果時應(yīng)注意以下幾個問題。

3.3.1 測區(qū)選擇應(yīng)有代表性

對于鋼岔管來說，應(yīng)選擇具有代表性的殘余應(yīng)力測區(qū)。鋼岔管焊縫較多，每條焊縫和焊縫在岔管的不同位置受力也不盡相同。一般來說，岔管腰線處管壁承受工作應(yīng)力較大的區(qū)域以及設(shè)計文件或計算成果反映出來的其他受力較大的區(qū)域都是應(yīng)該關(guān)注的焦點。環(huán)縫和縱縫都應(yīng)該布置測區(qū)。鋼岔管測區(qū)數(shù)量一般不應(yīng)少于5個?？紤]到每種測試方法的局限性，對設(shè)備或儀器可達性受限制的區(qū)域可不考慮布置測區(qū)。

3.3.2 應(yīng)考慮殘余應(yīng)力測試方法的最小分辨區(qū)域

根據(jù)焊接殘余應(yīng)力的分布特點，不同位置的焊縫以及同一處焊縫距離焊縫中心的不同距離處殘余應(yīng)力值往往變化較大，有的部位甚至出現(xiàn)殘余應(yīng)力陡升陡降的情況。而不同的測試方法，所測數(shù)值是探頭/傳感器覆蓋區(qū)域或照射區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力平均值，因此為了能夠獲取殘余應(yīng)力峰值的分布情況，要求測試儀器的探頭尺寸或被測照射區(qū)域面積越小越好。

3.3.3 測區(qū)測點分布要合理

每個測區(qū)的測點應(yīng)合理地分布于接頭的整個區(qū)域。焊縫、熔合線和熱影響區(qū)均應(yīng)有代表性的測點。合理確定測點的間距，力求使測點的應(yīng)力盡可能完整地反映接頭焊后殘余應(yīng)力的狀態(tài)，避免漏掉峰值。一般來說每個測區(qū)應(yīng)布置不少于5個測點，可參照圖3在測區(qū)中布置測點[3]。

圖3 環(huán)縫和縱縫測區(qū)的測點布置示意圖Figure 3 Schematic layout of measure points in the measure zone of Circumferential and longitudinal welders

3.3.4 應(yīng)采用無損的測試方法

高強鋼制作的岔管焊接完成后一般不允許焊補，焊接殘余應(yīng)力測試要求采用無損的測試方法。為了評價消應(yīng)效果，需對比水壓試驗前后的殘余應(yīng)力測試結(jié)果。這就要求水壓試驗后應(yīng)在原測點進行重復(fù)測試。根據(jù)焊接殘余應(yīng)力分布特點，不同區(qū)域的焊縫殘余應(yīng)力分布不盡相同，如果不在原先的測點處復(fù)測，則對于殘余應(yīng)力消除效果的評價就不夠準(zhǔn)確。目前的工程實踐表明，X射線衍射法是理想的無損測試方法，可滿足原位復(fù)測的要求，測試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。對高強鋼岔管來說盲孔法和壓痕法則不宜使用。

3.3.5 殘余應(yīng)力方向的測試要求

對于鋼岔管結(jié)構(gòu)來說，考慮其受力特點，應(yīng)找出最大殘余應(yīng)力方向，或者每個測點要求至少測試軸向和環(huán)向兩個方向的殘余應(yīng)力。

近年來的殘余應(yīng)力測試實踐表明，在測試時如能滿足以上要求，可得到滿意的測試結(jié)果，能為委托單位或設(shè)計方提供極有價值的參考依據(jù)。

4 結(jié)束語

本文提出了表征鋼岔管焊接殘余應(yīng)力分布的特征參數(shù)，建議用殘余應(yīng)力峰值消除率Rp、殘余應(yīng)力平均消除率Ra、殘余應(yīng)力均化程度σh三個指標(biāo)評價鋼岔管水壓試驗消應(yīng)效果，并給出了三個指標(biāo)的計算方法。對消應(yīng)效果評價指標(biāo)在工程上的實際應(yīng)用情況和參考值進行了討論。為了使這些評價指標(biāo)能夠在工程上順利開展應(yīng)用，對焊接殘余應(yīng)力測試方法也提出了具體要求。

本文提出的消應(yīng)效果評價指標(biāo)對于豐富完善相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對鋼岔管消應(yīng)的技術(shù)要求，以及鋼岔管設(shè)計、采購、制作施工具有一定的參考意義。