某水電廠蝶閥安裝合攏焊縫拘束應力施工監測

王星，葉建建，潘利坦

某水電廠蝶閥安裝合攏焊縫拘束應力施工監測

王星，葉建建，潘利坦

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

水電廠蝶閥安裝焊縫實際就是壓力鋼管與金屬蝸殼端的合攏焊縫。蝶閥安裝時，金屬蝸殼與壓力鋼管均已經與錨筋固定、并已澆筑混凝土。此時蝶閥安裝焊接施工，由于焊縫收縮而使焊縫承受強大的拘束應力，焊縫易于產生焊接裂紋。為保證蝶閥安裝焊縫的順利施工，對合攏焊縫進行焊接拘束應力的施工監測，利用實測數據進行具體分析，從而指導蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工。

蝶閥；合攏焊縫；焊縫拘束應力；焊接

0 引言

某水電廠擴建工程項目總裝機容量為80MW。新建樞紐建筑物由引水系統、發電廠房及開關站等主要建筑物組成。引水隧洞布置在左岸，總長7126m，隧洞開挖洞徑10.5m，圓型斷面，襯砌后內徑為9.0m；調壓室后的高壓管道用內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，金屬蝸殼與壓力鋼管均已經與錨筋固定、并已經澆筑了回填混凝土。如果伸縮節存在制造安裝誤差而使其位移補償功能受到限制，那么當蝶閥安裝焊接施工時，由焊縫收縮引起的焊接拘束應力仍將明顯地存在，易于產生焊接裂紋[1，2]。

蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工監測，就是利用現代測試手段實時監測分析鋼管合攏焊縫的焊接拘束應力，指導蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工，同時也分析伸縮節在實際邊界條件下的運行工作情況。

圖1 蝶閥安裝合攏焊縫位置示意圖

1 施工監測方案

1.1 測量原理

合攏焊縫焊接施工的拘束應力監測，采用電阻應變計測量方法。利用電阻應變片測定結構指定部位的表面應變，再根據應力應變關系式確定構件表面應力狀態。測量時，將電阻應變片（簡稱應變片）固定在被測構件上，當構件變形時，應變片的電阻值發生相應的變化。通過電阻應變儀，可以將應變片中的阻值變化測量出來并以以用儀器記錄傳輸。

電阻應變法測量可以用下式表示：

式中ε—應變儀測得的應變值；若被測部位在彈性范圍內工作，對測得的應變值，可以采用虎克定律換算得到對應的應力值。

dR/R—應變片阻值隨構件變形而發生的相對變化；

k—比例系數（靈敏系數）。

1.2 測量儀器系統

采用穩定性最優的應變測量系統：施工監測的時間跨度48h以上，所以應采用抗溫度漂移及抗零漂性能最優的應變測量系統。其中：

①應變片：采用BX120-3BA兩向垂直的高精度箔式電阻應變片。

②應變儀：無線數字信號傳輸應變測試系統。

③測量導線：由于現場試驗存在電磁等干擾，數據采集過程中采用標準的信號采集屏蔽線，減少測量誤差。

④同時備好220V電源線，保證應變節點的及時充電。

1.3 拘束應力測點布置

蝶閥已吊裝就位并“點對”完畢，在焊接施工前，需提前布設應變計，然后隨有關焊縫的焊接順序依次實施拘束應力監測。

應力測點布置在距合攏焊縫中心50cm的圓周斷面（圖1中I-I斷面）上。每條環縫8個測點，沿圓周“8等分”分布；各測點均采用X Y雙向應變計，其中，沿鋼管軸心為Y方向，沿鋼管圓周為X方向。

圖2 觀測斷面拘束應力測點布置

2 焊接施工監測

2.1 應變片粘貼及接線

應變片粘貼前需對構件表面進行打磨到平整光滑，并用丙酮或酒精清洗；被測點精確地用鋼針畫好十字交叉線以便定位；進行粘貼應變片和引線端子；待貼片自然干燥后，利用專業的705透明密封膠對應變片密封處理。將應變片的兩根導線引出線焊在接線端子上，再連接帶有相同編號的信號線。

應變片粘貼干燥12h后，對貼片構件進行測試。貼片和連接導線過程中注意對編號后的應變片與編號后的導線一一對應。

2.2 溫度補償方案

采用溫度公共補償“半橋測量回路”。每2個測點設一個溫度補償片。

2.3 焊接施工順序

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

2.4 施工監測

每小時均對合攏焊縫的施焊作拘束應力靜態測定[3，4]；

每次靜態應力測量時均采用“紅外測溫儀”測定應變測量時的各測點溫度場；保證每次應力測量時的溫度基本相同[3，4]（在可比條件下溫差不超過2℃）。

實時監測湊合節的焊接施工全過程，實時測量各測點的應變數據。

根據廣義虎克定律，求得各測點的拘束應力數據。

式中σx—鋼管x向主應力，MPa；

σy—鋼管y向主應力，MPa；

εy—鋼管y向主應變；

εx—鋼管x向主應變；

E—被測材料的彈性模量，MPa；

μ—被測材料的泊松比。

2.5 監測結果

分別列舉1#、2#蝶閥合攏焊縫應力監測中出現最大拘束應力的測點監測數據。圖3為1#蝶閥合攏焊縫測點8的拘束應力趨勢線。

圖4為2#蝶閥合攏焊縫測點3的拘束應力趨勢線。

3 監測數據分析

蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工拘束應力的實時測量表明：

（1）合攏焊縫拘束應力隨著焊接施工進程而逐漸增大。其中：1#蝶閥合攏焊縫的最大拘束應力出現在8測點（σx=-52.96MPa，σy=-48.55MPa）焊接收尾時段；2#蝶閥合攏焊縫的最大拘束應力出現在3測點焊接中時段（σx=-38.16MPa，σy=-53.46MPa）及收尾時段（σx= -26.24MPa，σy=-59.81MPa）。

（2）從兩個蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工監測數據分析，大部分測點（或大部分時段）的軸向拘束應力普遍大于周向拘束應力，這符合焊接的實際拘束條件。

（3）在兩個蝶閥安裝合攏焊縫焊接施工的前半程中，有少數測點的拘束應力呈現為拉應力狀態（多數為周向拘束應力σx），但數值均在+20MPa以下。

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

（5）兩個伸縮節均存在一定的制造誤差而導致其位移補償的不充分。從蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工監測數據分析，該電廠蝶閥安裝合攏焊縫的拘束應力水平與“大型水電站壓力管道采用湊合節替代伸縮節”的情況是比較接近的。

（6）從兩個蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工監測分析表明：該電廠蝶閥安裝合攏焊縫的拘束應力不會造成明顯的不利影響。

圖3 1#蝶閥測點8應力監測曲線

圖4 2#蝶閥測點3應力監測曲線

4 結語

通過對合攏焊縫進行焊接拘束應力的施工監測，利用實測數據進行具體分析，從而指導蝶閥安裝合攏焊縫的焊接施工，分析合攏焊縫焊接應力狀況，可作為相關水電廠蝶閥合攏焊縫的工程做借鑒參考。

[1]DL/T 5141-2001，水電站壓力鋼管設計規范[S].

[2]SL 281-2003，水電站壓力鋼管設計規范[S].

[3]DL/T 678-1999，電站鋼結構焊接通用技術條件[S].

[4]SL 36-2006，水工金屬結構焊接通用技術條件[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，中級工程師，主要從事水電廠金屬結構檢測及評估咨詢工作。