水電站鋼岔管殘余應力測試與分析

關 磊，余鵬翔，邱叢威

(水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310024)

1 概述

鋼岔管是指壓力鋼管分岔處的管段，一般包括主管、錐形管和支管，由于岔管處于輸水壓力鋼管的關鍵部位，主要構件的設計厚度較大。國內某抽水蓄能電站鋼岔管為對稱“Y”型內加強月牙肋型，材質為國產800MPa高強鋼，主、支管壁厚度均為66mm，月牙肋板厚138mm，承受內水頭高，HD值世界前茅。

鋼岔管的結構特點是鋼板厚、焊縫多、約束度大，在焊接過程中雖然采取成熟的焊接工藝，但焊接是一個局部熔化、局部高溫、溫度梯度極高、溫度快速升高或快速下降，并且發生結晶和相變的過程。在實際操作中，不可避免地出現焊縫高溫區的膨脹受到周邊低溫區的限制與擠壓，使高溫區域產生局部壓縮塑性變形，焊接部位在冷卻過程中，塑性變形未能自由收縮，從而產生殘余應力。

由于焊接產生的殘余應力與外加載荷的應力一樣，是促成應力腐蝕的因素之一，會降低鋼岔管抗脆斷性和抗腐蝕能力，嚴重影響設備質量[1]。若高殘余應力區存在焊接缺陷，會降低該處靜載強度，在水流沖擊下，則會加劇應力集中處的金屬疲勞，可能導致焊縫應力腐蝕開裂，也可能使焊件局部屈服或失穩，進而影響鋼岔管的強度、剛度和整體穩定性。因此，在鋼岔管安裝前必須消除殘余應力，以保證鋼岔管安全穩定運行。

在水電站引水系統中，水壓試驗作為消除殘余應力的主要工藝方法得到廣泛地應用[2-3]。水壓試驗不但可以使殘余應力重新分布，消除鋼岔管的尖端應力及施工附加變形，達到對鋼岔管的局部削峰作用[4]，提高鋼岔管整體抗脆斷和抗應力腐蝕能力，而且可以檢驗鋼岔管的制作和焊接施工質量，驗證結構的可靠性[5]。

2 殘余應力測試

本次水壓試驗的最高壓力為設計壓力的1.25倍，為檢驗水壓試驗消除殘余應力的效果[6]，選取殘余應力較大的區域在水壓試驗前后分別進行殘余應力測試。為使測試數據具有對比價值和科學意義，水壓試驗前后選取同一位置進行殘余應力測試。

工程現場常用的殘余應力無損測定方法主要有壓痕應變法、X射線衍射法、超聲法等[7]。壓痕應變法是一種利用球形壓痕誘導產生的應變增量測定殘余應力的方法[8]，操作簡單，但其缺點是只能用于平面應力的測定，而且測試數據的處理比較復雜。超聲法的特點是方向性好、穿透能力強，可以檢測試樣表面以及大體積范圍的內部殘余應力，但其受材料各向異性、環境溫度、探頭與構件之間耦合的影響較大，常常需要標定試驗，而且其主要應用于大范圍體積內殘余應力的測定，無法獲取局部殘余應力的大小與狀態分布。盲孔法測殘余應力也在一些工程上有所應用[9]，但是半無損的檢測特點限制了它的使用。X射線衍射法是利用晶面間距隨應力變化來計算殘余應力的[10-11]，其理論和實踐都比較成熟，因此，本次采用X射線測定儀進行殘余應力的測試。

2.1 測試原理

X射線測定殘余應力原理基于X射線衍射理論[12]，相關的布拉格公式如下：

2dsinθ=nλ

(1)

式中，n—整數；θ—布拉格角，是入射線和微觀的晶面之間的夾角，2θ則是入射線的正方向同反射線之間的夾角，又稱為衍射角，公式中有三個變量d、θ、λ。當晶體中存在應力時，必然有應變發生，而應變又必然表現在晶面間距d的變化上。這樣，可以用已知波長λ的X射線去照射該晶體，測出衍射角2θ的變化，按照布拉格公式求出晶面間距d的變化，計算出應力值。

2.2 測區和測點布置

根據鋼岔管三維有限元的計算結果，結合鋼岔管焊縫的實際分布特性，選取關鍵、有代表性的高應力區作為殘余應力測試區域，本次采用金屬磁記憶檢測技術[13]確定這些高應力區的應力集中區作為測試區域，選取A、B、C、D、E 5個測試區域，測區布置如圖1所示。

圖1 殘余應力測區布置示意圖

打磨去除測區內的焊縫余高，使之與兩側的母材齊平，并使用電解拋光技術對測區進行電解拋光，以去除引入的磨削應力并保持拋光區域光滑，并清晰顯示母材和焊縫的熔合線為宜。

測區內測點分布示意如圖2所示，每個測區內選擇5個測點，以焊縫中心作為中心測點0，焊縫兩側熔合線處各布置一個測點，分別為+1和-1測點，兩側距熔合線5mm的母材處各布置一個測點，分別為+2和-2測點，每個測點分別測試X向即平行于焊縫方向和Y向即垂直于焊縫方向的應力值。

圖2 殘余應力測區內測點分布示意圖

2.3 測試結果及分析

殘余應力測試共計5個測區，每個測區測試10個應力值：X向5個、Y向5個，共計50個分量殘余應力值。應力測試值及應力降低率統計見表1，環向焊縫測區B和縱向焊縫測區C測試數據分別用柱狀圖表示，如圖3和圖4所示。

圖3 B測區內各測點水壓試驗前后殘余應力值比較

圖4 C測區內各測點水壓試驗前后殘余應力值比較

(1)由表1可以看出，水壓試驗前殘余應力測試5個測區的最大應力值為584MPa，位于B測區的焊縫中心點，為X向應力值；其余應力值均在最低屈服強度685MPa的83%以下，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，沒有產生較高的殘余應力。

表1 水壓試驗前后殘余應力測試值與應力降低率統計

(2)從單測點應力降低率統計可以看出：除B區域、E區域各有一點降低率為負值外(這兩處殘余應力均屬低應力值)，其余測點降低率均為正值，說明水壓試驗降低或均化殘余應力效果明顯；水壓試驗前，殘余應力值在466MPa以上的測點共計12個，水壓試驗后，殘余應力降低率為14.01%～59.81%，除其中有一編號為A+2的測點Y向應力降低率為14.01%外，其余均在20%以上。由此可見，水壓試驗對殘余應力具有消峰作用，尤其對最低屈服強度68%以上的殘余應力峰值的消除效果明顯。

(3)從各測區平均應力降低率統計可以看出：在環向焊縫測區A、B、D、E內，X向平均應力降低率分別為28.59%、34.13%、24.52%、30.25%，明顯高于同一測區Y向平均應力降低率11.29%、10.62%、12.88%、15.53%，而在縱向焊縫測區C內，Y向平均應力降低率為33.69% 明顯高于同一測區X向平均應力降低率11.81%。由此可見，水壓試驗對環向焊縫的X向應力降低效果比較明顯，對鋼岔管縱向焊縫的Y向應力降低效果比較明顯。

(4)水壓試驗后，同一測區殘余應力值比較均勻，分布較為合理，各測區殘余應力值均在最低屈服強度的65%以下，符合設計要求。

3 結論

(1)水壓試驗前，測區內雖有個別測點的殘余應力值較大，但均在鋼材最低屈服強度的85%以下，說明鋼岔管的設計方案及施工工藝等參數的選取是科學合理的，鋼板及焊接材料的選擇是正確可行的。

(2)水壓試驗后，應力降低率除有兩處屬低殘余應力測點為負值外，其余測點降低率均為正值，水壓試驗降低或均化殘余應力效果明顯；水壓試驗對殘余應力具有消峰作用，尤其對最低屈服強度68%以上的殘余應力峰值消除效果明顯。

(3)鋼岔管水壓試驗對環向焊縫的X向應力降低效果比較明顯，對縱向焊縫的Y向應力降低效果比較明顯。

(4)水壓試驗后，同一測區殘余應力值比較均勻，分布較為合理，各測區殘余應力值均在最低屈服強度的65%以下，符合設計要求。