爆炸法消除應力在電站壓力鋼管上的應用

郭 乾，張書平，張 俊

（中國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，距丹東市約66 km。電站總裝機容量1 200 MW，單機容量300 MW，共4臺機組。電站建成后在東北電網中承擔調峰、填谷和事故備用功能。

電站工程引水發電系統共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，長度分別為80.87～152.19 m。明管部分采用寶鋼B610CF高強調質鋼,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。

按設計要求，結合壓力鋼管實際運行環境和使用工況，B610CF高強鋼及厚度大于38 mm的Q345D鋼板焊縫在焊后需進行消應處理。按照設計技術要求及DL/T5017-2007《水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》的規定，高強鋼焊后不宜做熱處理消應，結合施工現場實際，決定對壓力鋼管各管節縱縫進行爆炸消應處理[1-3]。

2 原始焊接殘余應力分析

B610CF高強鋼及厚度大于38 mm的Q345D材質的鋼管縱縫采用埋弧自動焊進行焊接，焊接前需清理坡口及兩側母材20 mm內一切污物和雜質，背面焊時需用電弧氣刨進行清根處理。具體焊接參數見表1。

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

壓痕應變法作是近年來國內廣泛使用的一種新型無損殘余應力測量方法，它的基本實驗規律是相同尺寸的壓痕在殘余應力場主應力方向上產生的應變增量與殘余彈性應變成正比。壓痕誘導的應變增量由事先粘貼在構件表面的應變花測取（見圖1），通過應變儀記錄沖擊壓痕疊加應力場造成的應變增量，并自動輸入計算機，按預置計算程序進行計算并顯示結果。該方法操作簡單，適用范圍廣，表面殘余應力測量精度高，基本無損（深度約0.2 mm）。

表1 埋弧自動焊焊接參數

應力測試設的型號為KJS-2；應變計型號為BE120-1BA-zky。該系統由四部分組成：應變測量部分；壓痕制造部分；計算機處理部分；固定裝置部分。

圖1 壓痕應變法測量殘余應力示意圖

根據壓力鋼管的結構特點，選擇鋼管縱縫長度方向的中點部位，及偏離中心線一定距離L的部位布置測點。其中只有一條縱縫的鋼管按圖2布置測點；有兩條縱縫的鋼管，其中半數按圖2（a）布置測點，其余按圖2(b)布置測點。由于對稱關系，兩條縱縫不做唯一性標識，其中一條為縱縫1，則另一條為縱縫2。為便于測試，管長2 000 mm及以下的管節，除在縱縫中點部位布點外，另一布點部位在中點偏上位置；管長大于2 000 mm的管節，除在縱縫中點部位布點外，另一布點部位在中點偏下位置。

圖2 單條縱縫管節測點布置示意圖

圖3 兩條縱縫管節測點布置示意圖

各個管節縱縫的殘余應力測試結果見表2-6（由于數據較多，僅代表性選取羅列）。表中符號σx，σy分別表示沿焊縫方向的縱向應力和垂直焊縫方向的橫向應力，單位MPa。測試分內外表面分別進行，表中只給出了測試的最終結果，應變數值在此忽略。

B610CF高強鋼測試數據表明，焊縫上的殘余應力較高，已達到或接近材料的屈服點。熔合線附近的殘余應力較焊縫稍低或相當，熱影響區的殘余應力一般都較低，應力分布特點符合一般規律。個別測點數據出現異常，可能與鋼管表面實際狀態或現場測試環境有關。

Q345D低合金鋼測試結果表明，部分焊縫殘余應力較低，部分焊縫殘余應力較高，達到或接近材料屈服點。

產生焊接殘余應力的因素主要包括：鋼板及焊材的實際屈服強度；鋼板厚度及焊接過程中的拘束度；焊接工藝的影響等。鋼管制作縱縫的焊接殘余應力普遍較高，總體上，應力狀況與其它同類工程相當。高的焊接殘余應力可能對接頭服役安全性能產生影響，尤其是在運行環境溫度低、水頭壓力變化頻繁的情況下，需對鋼管進行消應處理以降低焊接殘余應力。

表2 錐管δ=50 mm測試結果表

表3 錐管δ=54 mm測試結果表

表4 直管δ=58 mm測試結果表

表5 直管δ=44 mm測試結果表

表6 直管δ=54 mm測試結果表

3 爆炸消應處理

1）爆炸炸藥。根據現場條件，選用的爆炸炸藥為工業導爆索，根據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。實際爆炸處理的用藥總量為4 650 m，導爆管50支。

2）藥條布置工藝。布藥原則為獲得合適的消除應力效果，同時避免結構產生宏觀變形。根據不同板厚，每米焊縫最大用藥量約140～180 g，以焊縫為中心對稱布置。焊縫的爆炸處理在內外表面分別進行。

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

4 爆炸處理效果檢測

每條壓力鋼管爆炸消除應力前后，選取其中不同厚度的管節各1個進行應力測試，測試結果作為此條壓力鋼管爆炸處理的驗收依據。應力檢測工作均在鋼管縱縫的內外表面進行，內外表面的測點數在爆炸處理前后均為2個。爆炸處理后殘余應力測試結果見表7（限于篇幅，這里僅給出一支壓力鋼管的數據）。

5 結語

1）焊后原始應力一般在400～600 MPa之間，呈雙軸拉伸狀態。多數情況下，平行焊縫方向的應力要高于垂直焊縫方向的應力，結果符合一般焊接結構的規律。

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

3）此次爆炸處理結果比較理想，在保證效果的基礎上，沒有對結構造成宏觀變形等破壞，滿足了設計指標要求。經過爆炸處理的鋼管，后期的運行安全性得到顯著提高。

[1]陳懷寧.爆炸消除焊接殘余應力及其在水電行業中的應用[R].第六屆全國水電站壓力管道學術會議，2006，11.

[2]DL/T5017-2007，水利水電工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范[S].

[3]宋天民.焊接殘余應力的產生與消除[M].北京：中國石化出版社，2005.

[4]陳懷寧，林泉洪，曲鵬程.壓痕應變法測量焊縫應力時的近似修正方法[J].焊接學報，2006.

[5]林麗華，陳立功，顧明元.用數值分析方法探討靜載壓痕殘余應力測量方法[C].第八屆全國焊接學術會議論文集（2），北京：機械工業出版社，1997：696—698.