呼和浩特抽水蓄能電站790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力測(cè)試

陳初龍，鐵朝虎，余　健，王　浩

（中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

呼和浩特抽水蓄能電站790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼殘余應(yīng)力測(cè)試

陳初龍，鐵朝虎，余健，王浩

（中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：主要介紹了殘余應(yīng)力測(cè)試的方法和原理等，應(yīng)用X射線衍射法對(duì)國(guó)內(nèi)首次大規(guī)模應(yīng)用790 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的呼和浩特抽水蓄能電站引水系統(tǒng)壓力鋼管的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試成果為機(jī)組充水后的壓力鋼管安全運(yùn)行提供了技術(shù)分析和檢驗(yàn)依據(jù)，也為后續(xù)類似電站使用790MPa高強(qiáng)鋼板做好技術(shù)儲(chǔ)備。

關(guān)鍵詞：X射線衍射法；高強(qiáng)鋼；殘余應(yīng)力；測(cè)試

1　工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱“呼蓄電站”）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的大青山區(qū)，工程由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)及下水庫等建筑物組成，總裝機(jī)容量為1 200MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵-水輪機(jī)組。水道系統(tǒng)由上水庫進(jìn)出水口、引水隧洞、引水調(diào)壓井、壓力管道、尾水隧洞和下水庫進(jìn)出水口組成，引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)直進(jìn)直出廠房的布置方式。2條引水系統(tǒng)的壓力鋼管相互平行，分別由上彎管段、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段及兩條支管段組成，主管直徑為5.4～4.6m，支管直徑3.2m，每條壓力管道長(zhǎng)約1 200m，全部為鋼板襯砌，額定水頭521m。分別在距廠房上游邊墻65m和50m處布置兩個(gè)高壓鋼岔管，兩個(gè)岔管體形尺寸完全相同，采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力9.06MPa，采用國(guó)產(chǎn)790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼板制造，HD值達(dá)到4 168m2，是目前國(guó)內(nèi)已建（在建）水電工程中HD值最大的鋼岔管。

2　測(cè)試目的、方法及原理

2.1測(cè)試目的

呼蓄電站首次在高水頭電站大規(guī)模使用國(guó)產(chǎn)790MPa高強(qiáng)鋼板，為了進(jìn)一步研究和掌握790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼壓力鋼管在安裝過程中，由于焊接施工、安裝條件等因素的影響，對(duì)施工過程中所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力以及焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)與水平進(jìn)行量化的檢驗(yàn)測(cè)試，選取了790MPa引水壓力鋼管有代表性的地方進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，為機(jī)組充水后的壓力鋼管安全運(yùn)行提供技術(shù)分析和檢驗(yàn)依據(jù)。同時(shí)，為后續(xù)類似電站使用790MPa高強(qiáng)鋼板做好技術(shù)儲(chǔ)備。

2.2測(cè)試方法

殘余應(yīng)力的測(cè)試方法可以分為有損和無損兩大類。有損測(cè)試方法就是應(yīng)力釋放法，也可以稱為機(jī)械的方法；無損方法就是物理的方法。機(jī)械方法目前用得最多的是鉆孔法（盲孔法），其次還有針對(duì)一定對(duì)象的環(huán)芯法、取條法、切槽法、剝層法、壓痕應(yīng)變法等。其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量方法簡(jiǎn)便，但對(duì)構(gòu)件構(gòu)成損傷，在高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)上不建議采用。物理方法中用得最多的是X射線衍射法，其他主要物理方法還有中子衍射法、磁彈法、超聲法、電子散斑干涉法等。它對(duì)被測(cè)構(gòu)件無損害，但對(duì)測(cè)試工作的技術(shù)條件要求高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、儀器成本也高。

本次焊接殘余應(yīng)力測(cè)試采用X射線衍射法。在各種無損測(cè)定殘余應(yīng)力的方法之中，X射線衍射法被公認(rèn)為最可靠和最實(shí)用的。它原理成熟，方法完善，經(jīng)歷了70余年的進(jìn)程，在國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程和材料科學(xué)，取得了卓著成果。

2.3測(cè)試原理

X射線殘余應(yīng)力測(cè)試方法的原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ：即一定波長(zhǎng)的X射線照射到晶體材料上，相鄰兩個(gè)原子面衍射時(shí)的X射線光程差正好是波長(zhǎng)的整數(shù)倍。通過測(cè)量衍射角變化Δθ從而得到晶格間距變化Δd，根據(jù)胡克定律和彈性力學(xué)原理，計(jì)算出材料的殘余應(yīng)力（見圖1）。

圖1　X射線殘余應(yīng)力測(cè)試原理

根據(jù)彈性力學(xué)理論，在宏觀各向同性晶體材料上角度φ和ψ方向的應(yīng)變可以用如下方程表述：

圖2ε與sin2對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系曲線

X射線應(yīng)力測(cè)定儀是一種簡(jiǎn)化和實(shí)用化的X射線衍射裝置，因而它還有一項(xiàng)附加的功能──測(cè)定鋼中殘余奧氏體含量。由于它適用于各種實(shí)體工件，而且能夠針對(duì)同一點(diǎn)以不同的角、角進(jìn)行測(cè)試，以探測(cè)織構(gòu)的影響，這項(xiàng)功能便具備了重要而獨(dú)特的用途。

3　殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)布置與處理

3.1測(cè)區(qū)布置原則

殘余應(yīng)力測(cè)區(qū)選在引水隧洞水平段、漸變段、岔管與支管連接焊縫、下彎段等790MPa級(jí)鋼管段，包括現(xiàn)場(chǎng)安裝的8處丁字縫、7處環(huán)縫以及廠內(nèi)制作的2處縱縫，每個(gè)測(cè)區(qū)包括焊縫、熔合線以及熱影響區(qū)，測(cè)點(diǎn)主要為壓力鋼管在制作安裝中可能存在應(yīng)力較大以及運(yùn)行工況最不利的焊縫部位。測(cè)區(qū)在做到全覆蓋的前提下，選擇具有代表性、能全面反映引水壓力鋼管應(yīng)]力分布情況，[結(jié)合測(cè)試方案]及鋼管特性，明確了殘余應(yīng)力檢測(cè)部位分別布置在材質(zhì)為790MPa高強(qiáng)鋼焊縫上，具體位置如下：

1）1號(hào)引水壓力鋼管高壓鋼岔管的主管測(cè)1處丁字縫和1處環(huán)縫；一條支管測(cè)1處環(huán)縫。

2）1號(hào)引水壓力鋼管中平段湊合節(jié)兩條對(duì)接合攏環(huán)縫各1處丁字縫和1處環(huán)縫（共4處）。

3）1號(hào)引水壓力鋼管兩條高壓支管的第一節(jié)錐管和上游直管相連的環(huán)縫上各1處丁字縫。

4）1號(hào)引水壓力鋼管的7號(hào)彎管段1處丁字縫；2號(hào)引水壓力鋼管的8號(hào)彎管段1處腰線處的.T環(huán)r(縫)。

5）1號(hào)引水壓力鋼管下平段在管徑4.6m和3.2m（高壓支管段）的管節(jié)分別選1處丁字縫。

6）1號(hào)引水壓力鋼管兩條高壓支管最后一節(jié)管徑為2m的明管段分別選1處縱縫。

7）由壓力鋼管安裝單位根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝焊接返修較多的部位選取3個(gè)測(cè)區(qū)。

3.2測(cè)區(qū)表面的預(yù)處理

被測(cè)焊縫表面用角向磨光機(jī)磨除待測(cè)區(qū)域焊縫余高，露出金屬光澤。用砂紙拋光輪將測(cè)區(qū)進(jìn)行拋光，用飽和鹽水電解質(zhì)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行電解拋光，直至消除磨痕，并清晰地分辨出焊縫、熔合線和熱影響區(qū)。

在測(cè)區(qū)表面用鋼板尺和鉛筆沿焊縫垂直方向劃一條直線，確定焊縫中心0點(diǎn)和熔合線的位置，并按圖3、圖4標(biāo)出測(cè)點(diǎn)位置。σx表示與焊縫方向平行的殘余應(yīng)力，σy表示與焊縫方向垂直的殘余應(yīng)力。

圖3　環(huán)縫和縱縫測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖4　T字縫測(cè)區(qū)的測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4　測(cè)試結(jié)果與分析

4.1測(cè)試數(shù)據(jù)

2014年4月3日至2014年6月4日，內(nèi)蒙古呼和浩特抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，對(duì)壓力鋼管材質(zhì)為790MPa高強(qiáng)鋼焊縫進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：

1）1號(hào)壓力鋼管中平段2個(gè)丁字縫測(cè)區(qū)和1個(gè)環(huán)縫測(cè)區(qū)，共檢測(cè)50個(gè)測(cè)點(diǎn)；1號(hào)壓力鋼管下彎段1個(gè)丁字縫測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)21個(gè)；下平段岔管前布置測(cè)區(qū)5個(gè)，其中丁字縫測(cè)區(qū)2個(gè)，環(huán)縫測(cè)區(qū)3個(gè)，測(cè)點(diǎn)共63個(gè)；下平段岔管后布置9個(gè)測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)共105個(gè)。

2）2號(hào)壓力鋼管下平段岔管前布置1個(gè)環(huán)縫測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)7個(gè)；岔管后布置1個(gè)環(huán)縫測(cè)區(qū)，測(cè)點(diǎn)7個(gè)。

以上總共布置測(cè)區(qū)20個(gè)，測(cè)點(diǎn)253個(gè)。

4.2測(cè)試結(jié)果分析

按照相關(guān)方制定的測(cè)試部位對(duì)2條790MPa高強(qiáng)鋼壓力鋼管中平段、下平段20個(gè)不同典型部位共計(jì)253個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試平行于焊縫和垂直于焊縫兩個(gè)方向的殘余應(yīng)力?？傮w上看，大部分焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)低于材料的金屬材料規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（Rp0.2）。

全部測(cè)試數(shù)據(jù)中共有5個(gè)點(diǎn)超過了790MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的金屬材料規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（Rp0.2=665MPa）。這5個(gè)點(diǎn)分別位于1號(hào)岔管與1號(hào)支管第1管節(jié)環(huán)縫（1號(hào)岔管/Z1-1環(huán)縫）的10y測(cè)點(diǎn)（軸向殘余應(yīng)力測(cè)試值為798MPa）、1號(hào)岔管與1號(hào)支管第1管節(jié)環(huán)縫（1號(hào)岔管/Z1-1環(huán)縫）的0y測(cè)點(diǎn)（軸向殘余應(yīng)力測(cè)試值為729MPa）、1號(hào)支管第16/17管節(jié)丁字頭（Z1-16/17丁字頭）的2-15y測(cè)點(diǎn)（軸向殘余應(yīng)力測(cè)試值為 676 MPa）、1號(hào)支管第 22/23管節(jié)（Z1-22/23環(huán)縫）的-10y測(cè)點(diǎn)（軸向殘余應(yīng)力測(cè)試值為671MPa）和2號(hào)岔管與1號(hào)支管第1管節(jié)環(huán)縫（2號(hào)岔管/z1-1環(huán)縫）的0y測(cè)點(diǎn)（測(cè)試值為728MPa）。

表1　鋼管焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

另外1號(hào)壓力鋼管中平段合攏縫209/210管節(jié)丁字縫軸向殘余應(yīng)力達(dá)到657MPa，殘余應(yīng)力值較高。

從測(cè)試結(jié)果來看，支管與兩臺(tái)鋼岔管與相連的焊縫軸向殘余應(yīng)力數(shù)值較大，1號(hào)岔管/Z1-1環(huán)縫最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到798MPa，1號(hào)岔管/Z2-1環(huán)縫的最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到648MPa，2號(hào)壓力鋼管2號(hào)岔管/z1-1環(huán)縫測(cè)區(qū)環(huán)縫最大軸向殘余應(yīng)力達(dá)到728MPa。上述區(qū)域的其他測(cè)點(diǎn)軸向殘余應(yīng)力值也偏高。

采用X射線衍射法測(cè)得的應(yīng)力數(shù)值是根據(jù)材料彈性理論計(jì)算得到，若測(cè)試數(shù)據(jù)高于材料的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度（Rp0.2=665MPa），該測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)只作為參考，表明該測(cè)區(qū)焊縫處焊接殘余應(yīng)力水平較高。

5　結(jié)論

從殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)總體上看，大部分焊縫殘余應(yīng)力數(shù)值較低。反映出壓力鋼管在安裝過程中控制殘余應(yīng)力的工藝措施能得到有效控制。

引水壓力鋼管790MPa高強(qiáng)鋼材料的斷后伸長(zhǎng)率供貨指標(biāo)大于15%，具有較好的塑性。在內(nèi)水壓力工況下，靜載的工作應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加，材料尚具有足夠的塑性裕量。但應(yīng)注意在交變載荷作用下，動(dòng)應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加，對(duì)材料的變形性能有不利影響。

幾處焊縫殘余應(yīng)力較大數(shù)值均為軸向拉應(yīng)力，表明該處焊縫焊接時(shí)受到了較大的外部拘束。建議加強(qiáng)對(duì)焊接殘余應(yīng)力水平較高的相關(guān)部位進(jìn)行定期無損檢測(cè)，確保鋼管安全運(yùn)行。

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中圖分類號(hào)：TG40

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0039-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.011

收稿日期：2015-04-01

作者簡(jiǎn)介：陳初龍（1964-），男，高級(jí)工程師，從事水電站設(shè)備物資質(zhì)量管理工作。