豐寧抽水蓄能電站引水鋼岔管殘余應力測試與研究

劉 蕊，余 健，白 威

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024；2.內蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，內蒙古自治區(qū)呼和浩特市 010051）

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內，是當前世界上在建裝機容量最大的抽水蓄能電站，規(guī)劃裝機容量3600MW，為一等工程，大（1）型規(guī)模，電站樞紐建筑物包括上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、蓄能專用下水庫及攔沙庫等。豐寧抽水蓄能電站一期、二期引水隧洞工程由6條相互平行的高壓鋼管道組成，設有上平段、上斜段、中平段、下斜段和下平段，斜井角度為53°。電站采用“一管兩機”方式布置，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，下平洞鋼管與鋼岔管連接后由岔管將主管水流分流進入機組[1]。鋼岔管采用對稱Y形內加強月牙肋結構，分岔角74°，主管直徑4.8m，管內設計流速為8.92m/s，支管直徑3.4m，管內設計流速為8.89m/s，最大公切球直徑5.52m，為主管管徑的1.15倍，采用HD780CF高強鋼制造，管殼厚度66/70mm，月牙肋板厚126mm，岔管設計壓力7.47MPa，水壓試驗壓力6.9MPa。岔管本體焊接時，岔管全部縱向、環(huán)向焊縫均采用不對稱的X形手工焊坡口，管殼與肋板的連接焊縫為不對稱的K形坡口。為減少變形和收縮應力，施焊順序應從構件受周圍約束較大的部位向拘束較小的部位推進，焊后立即對管節(jié)焊縫進行后熱消氫處理，溫度200～240℃，保溫2h。

2 殘余應力的產生及危害

2.1 焊接殘余應力產生機理

鋼岔管的結構特點為焊縫多、拘束度大，焊接過程中，焊縫周圍由于大量的熱輸入導致焊件溫度急劇變化，進而產生可變的溫度場引起岔管發(fā)生塑性變形，岔管局部熱輸入是焊接殘余應力與變形產生的根源。隨著焊接熱輸入而變化的焊件變形和內應力場稱為焊接瞬態(tài)應力與應變；焊接后在室溫條件下殘留于焊件中的內應力場和宏觀變化，稱為焊接殘余應力與焊接殘余變形[2]。在焊接溫度場中，彈性模量、熱膨脹系數等材料屬性影響熱源周圍金屬運動的內拘束度；結構因素（構件剛性、形狀及厚度等）及制造因素（夾持狀態(tài)、工藝措施等）則決定著熱源周圍金屬的外拘束度。

焊接工程中的焊接殘余應力和焊接殘余變形是同時存在于同一焊件中的，兩者是緊密相關的，相輔相成而又互相制約。焊接過程其實就是在焊件局部區(qū)域加熱后又冷卻凝固的熱過程，但由于不均勻溫度場，導致焊件不均勻地膨脹和收縮，從而使焊件內部產生焊接應力和材料應變[3]。

2.2 殘余應力對鋼岔管的危害

（1）對鋼岔管強度的影響。如果在高殘余拉應力區(qū)中存在焊縫缺陷，而焊件又在低于脆性轉變溫度下工作，則焊接殘余應力將使靜載強度降低。在循環(huán)應力作用下，如果在應力集中處存在殘余拉應力，則焊接殘余拉應力將使鋼岔管的疲勞強度降低。

（2）對鋼岔管剛度的影響。在水電站運行期鋼岔管服役過程中，焊接殘余應力與外荷載引起的工作應力產生疊加效應，可使焊件局部材料提前屈服產生塑性變形，從而導致岔管的剛度降低。

（3）對鋼岔管穩(wěn)定性的影響。焊接殘余應力與外荷載引起的工作應力產生疊加效應，可使焊件局部材料屈服或失穩(wěn)，從而導致岔管結構的整體性降低。

（4）對鋼岔管結構尺寸的影響。焊接殘余應力會隨著時間、外荷載不斷重新分布變化，而岔管的結構尺寸也將隨之變化。

（5）對鋼岔管加工精度的影響。焊接殘余應力是岔管在空載情況下就已經存在的初始應力，殘余應力的產生對岔管的加工精度有著不同程度的影響。岔管剛度越小，加工量越大，對精度的影響越大。

（6）對鋼岔管耐腐蝕性的影響。焊接殘余應力和外荷載引起的工作應力同樣也能讓焊縫產生腐蝕開裂[4]。

（7）對鋼岔管使用壽命的影響。焊接殘余應力和工作荷載產生的應力疊加后的復雜應力狀態(tài)會引起岔管的塑性變形及焊縫開裂等危害，降低鋼岔管使用壽命，不但給工程帶來經濟損失，還會影響電站的安全穩(wěn)定運行。

3 鋼岔管焊接殘余應力測試方案

3.1 測試方案

豐寧抽水蓄能電站鋼岔管焊接殘余應力測試采用無損壓痕法，在水壓試驗前最后一個悶頭未焊接時進行測試，應力測試設備采用KJS-1型應力測試系統(tǒng)及BA120-1BA（11）-ZKY型應變計。測試原理是采用電阻應變片作為敏感元件，通過應變儀記錄沖擊壓痕疊加應力場造成的應變，并利用計算機自動采集；采用光電測量技術自動讀取壓痕并傳輸至計算機；按預置固定程序進行計算并輸出結果[5]。該系統(tǒng)由應變測量部分、壓痕制造與測量部分、計算機處理部分、固定裝置（底座）部分共四個模塊組成。殘余應力測試分為焊縫表面打磨處理、應變計黏貼、打擊壓痕、應力測試等四個步驟。

3.2 布置測區(qū)

為確保豐寧抽水蓄能電站鋼岔管水壓試驗的安全進行及后續(xù)應力測試提供參考，對鋼岔管進行焊接殘余應力的測試工作，測試分別在水壓試驗前和水壓試驗后進行，通過水壓試驗前后應力測試結果的對比分析，驗證水壓試驗對焊接殘余應力的消除程度[6]。殘余應力測試利用KJS-1型應力測試系統(tǒng)進行無損壓痕應變法完成，測量時將應變片的應變柵分別沿著與焊縫平行和垂直的方向黏貼。根據豐寧抽水蓄能電站鋼岔管三維有限元計算結果的高應力區(qū)、參考已建和在建同類工程高壓岔管出現過的高應力區(qū)，并結合本工程岔管焊縫的實際分布特性，選取關鍵、有代表性的部位作為檢測區(qū)域，水壓試驗前后焊接殘余應力測試部位分布在岔管下半部具有代表性的焊縫上或其附近，選取有A、B、C、D、E、F共6個測試區(qū)域，并分別布置了4、3、3、3、3、2共計34個測試點，測區(qū)布置如圖1所示。

圖1 鋼岔管焊接殘余應力測區(qū)布置圖（單位：mm）Figure 1 Arrangement drawing of welding residual stress measurement area of steel bifurcated pipe（unit：mm）

3.3 測點標記

豐寧抽水蓄能電站鋼岔管殘余應力測試點具體為主支管連接丁字縫部位（A測區(qū)）布置4個測點；岔管開岔處管殼與月牙肋接縫處（B測區(qū)）布置3個測點；主支管連接環(huán)縫（C測區(qū)）布置3個測點；腰部焊縫（D測區(qū)）布置3個測點；支管縱縫（E測區(qū)）布置3個測點；外壁頂部非過流面返修環(huán)縫（F測區(qū)）布置2個測點。其中A、B、C、D、E五個測區(qū)的所有測點在3個岔管內外壁對稱布置，F測區(qū)的2個測點只在3號岔管外壁布置，所有測區(qū)點位分布如圖2所示。

圖2 鋼岔管水壓試驗殘余應力測區(qū)點位分布圖Figure 2 Point distribution diagram of residual stress measurement area of steel bifurcated pipe hydraulic test

4 水壓試驗前后殘余應力測試成果與分析

從結構特性和水力特性綜合考慮，岔管主管管節(jié)的高應力區(qū)在鈍角區(qū)腰線處；肋旁管殼由于肋板的剛度較大，存在明顯的彎曲作用，局部彎曲應力較大；肋板由于岔管結構左右對稱，肋板不承受側向彎曲作用，沿肋板厚度方向兩側應力相同，肋板腰部內緣應力高于肋板其他部位。岔管殘余應力測試的關鍵部位為鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處，主管標準圓斷面和支管標準圓斷面亦應布置測點。管殼測點在內外壁對應布置，以考察薄膜應力和局部彎曲應力。鋼岔管月牙肋板管內測點布置在靠近內緣，管外布置在月牙肋板的外緣[7]。水壓試驗過程分為預壓試驗和明管水壓試驗兩個階段，試驗過程中重點檢查和監(jiān)測水溫與岔管外殼溫差、焊縫外觀滲漏、岔管異常聲響、岔管外形異常變形等指標。若實時監(jiān)測的工作應力值接近鋼板試驗應力允許值，應立即停止充水加壓試驗，并進行現場分析研究，確定試驗是否繼續(xù)進行及下一步的應急處理措施。鋼岔管水壓試驗升壓及卸壓試驗曲線如圖3所示，試驗壓力上升和下降速率均為0.05MPa/min。

圖3 水壓試驗正式打壓過程升壓及卸壓試驗曲線Figure 3 Test curve of pressure increase and pressure relief during the formal pressure process of hydraulic test

根據鋼岔管焊接殘余應力測試方案并結合岔管焊縫分布特征，水壓試驗前后焊接殘余應力測試部位分布在岔管具有代表性的焊縫上或其附近，水壓試驗岔管充水前進行一次測試，水壓試驗后，排干管內的積水，再進行一次測試[8]，即進行兩次壓痕殘余應力測試，水壓試驗前后同一殘余應力測點間距為20mm，測試結果見表3。表中δx、δy分別表示沿焊縫和垂直焊縫方向的殘余應力，應力值正值表示拉應力，負值表示壓應力，HD780CF鋼板的標準屈服強度不低于670MPa。

表1 1號鋼岔管焊接殘余應力測試結果統(tǒng)計表Table 1 1# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖4 1號鋼岔管水壓試驗測試點殘余應力消除率Figure 4 1# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（1）從表1及圖4結果表明，通過水壓試驗，1號岔管的焊接殘余應力整體呈下降趨勢，部分測點應力消除效果明顯。水壓試驗前岔管內壁x方向焊接殘余應力最大值位于D測區(qū)3號測點，應力值為668MPa，水壓試驗后此測點應力值為565MPa，消除率15.42%；水壓試驗前岔管內壁y方向焊接殘余應力最大值位于A測區(qū)2號測點，應力值為668MPa，水壓試驗后此測點應力值為602MPa，消除率9.88%。水壓試驗前岔管外壁x方向焊接殘余應力最大值位于D 測區(qū)2號測點，應力值為661MPa，水壓試驗后此測點應力值為430MPa，消除率34.95%；水壓試驗前岔管外壁y方向焊接殘余應力最大值位于E測區(qū)1號測點，應力值為667MPa，水壓試驗后此測點應力值為543MPa，消除率18.59%。

表2 2號鋼岔管焊接殘余應力測試結果統(tǒng)計表Table 2 2# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖5 2號鋼岔管水壓試驗測試點殘余應力消除率Figure 5 2# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（2）從表2及圖5結果表明，通過水壓試驗，2號岔管的焊接殘余應力整體下降明顯，部分測點應力消除效果較好。水壓試驗前岔管內壁x方向焊接殘余應力最大值位于A 測區(qū)3號測點，應力值為667MPa，水壓試驗后此測點應力值為571MPa，消除率14.39%；水壓試驗前岔管內壁y方向焊接殘余應力最大值位于C測區(qū)3號測點，應力值為658MPa，水壓試驗后此測點應力值為450MPa，消除率31.61%。水壓試驗前岔管外壁x方向焊接殘余應力最大值位于D 測區(qū)2號測點，應力值為658MPa，水壓試驗后此測點應力值為382MPa，消除率41.95%；水壓試驗前岔管外壁y方向焊接殘余應力最大值位于D測區(qū)2號測點，應力值為568MPa，水壓試驗后此測點應力值為85MPa，消除率85.04%。

表3 3號鋼岔管焊接殘余應力測試結果統(tǒng)計表Table 3 3# Steel pipe welding residual stress test result statistics table MPa

圖6 3號鋼岔管水壓試驗測試點殘余應力消除率Figure 6 3# steel pipe hydrostatic test test point residual stress relief rate

（3）從表3及圖6結果表明，通過水壓試驗，3號岔管的焊接殘余應力整體有下降的趨勢，部分測點應力消除明顯。水壓試驗前岔管內壁x方向焊接殘余應力最大值位于E 測區(qū)2號測點，應力值為667MPa，水壓試驗后此測點應力值為503MPa，消除率24.59%；水壓試驗前岔管內壁y方向焊接殘余應力最大值位于A測區(qū)1號測點，應力值為639MPa，水壓試驗后此測點應力值為598MPa，消除率6.42%。水壓試驗前岔管外壁x方向焊接殘余應力最大值位于E 測區(qū)3號測點，應力值為658MPa，水壓試驗后此測點應力值為605MPa，消除率8.05%；水壓試驗前岔管外壁y方向焊接殘余應力最大值位于C測區(qū)3號測點，應力值為636MPa，水壓試驗后此測點應力值為583MPa，消除率8.33%。

綜上所述，通過豐寧抽水蓄能電站3個鋼岔管同一測點水壓試驗前后殘余應力測試結果的對比分析，按照殘余應力大于500MPa的數據統(tǒng)計，1號鋼岔管峰值消除率達到16.56%，2號鋼岔管峰值消除率達到26.23%，3號鋼岔管峰值消除率達到22.18%。試驗結果更加充分驗證水壓試驗對焊接殘余應力的峰值起到有效的消減作用，鋼岔管在經過水壓試驗后，焊縫的殘余應力在鋼材的屈服強度極限范圍之內，具有優(yōu)良的機械性能，為水道系統(tǒng)的充排水試驗、雙機甩負荷試驗及鋼岔管的長期穩(wěn)定運行提供了安全保障。

5 結論

（1）從焊接殘余應力測試結果總體上看，水壓試驗前后殘余應力值均不超過鋼材屈服強度，說明鋼岔管的設計方案及施工工藝等參數選取是科學合理的，鋼板及焊接材料的選擇是正確可行的。鋼岔管制作及安裝過程中嚴格執(zhí)行焊接工藝設計，減少拘束應力集中，控制線能量輸入，做好預熱、層間及后熱溫控等工藝措施，有效降低殘余應力在焊接過程中的產生，控制焊接殘余應力的工藝工法效果明顯，為后續(xù)鋼岔管的穩(wěn)定運行提供了安全裕度。

（2）經過焊接殘余應力測試結果的對比分析，表明水壓試驗對于焊接殘余應力峰值消除效果明顯，通過水壓試驗，鋼岔管殘余應力整體有下降趨勢，部分測點消減作用明顯，達到了通過水壓試驗消除一定程度殘余應力的目的，為電站后期引水系統(tǒng)的充排水試驗及機組的雙機甩負荷試驗提供了技術分析和安全保障，同時也為工程應用及國內外同類型電站鋼岔管的設計方案及施工工藝提供指導和借鑒意義。