爆破法消除岔管焊接應(yīng)力在龍江水利樞紐工程建設(shè)中的應(yīng)用

張新安1范建立2

(1.葛洲壩集團項目管理有限公司，湖北 宜昌443002；

2.云南龍江水利樞紐開發(fā)有限公司，云南 德宏678400)

【摘要】水利水電工程大型厚壁壓力鋼管岔管通常由現(xiàn)場安裝組焊完成,焊縫原始殘余應(yīng)力數(shù)值一般較高。在壓力鋼管荷載拉應(yīng)力同焊接殘余拉應(yīng)力疊加時，將嚴重影響水電站壓力鋼管的安全運行。爆炸法靠瞬間爆轟產(chǎn)生的能量釋放消除金屬構(gòu)件的焊接應(yīng)力，作為一種先進的技術(shù)，具有施工簡單、方便，不受結(jié)構(gòu)尺寸和材料性質(zhì)的限制等突出優(yōu)點。本文介紹了云南龍江水電站樞紐工程應(yīng)用爆破法消除輸水壓力鋼管岔管焊接應(yīng)力的原理、具體方法與實際效果。

【關(guān)鍵詞】金屬岔管；壓痕應(yīng)變法；殘余應(yīng)力；爆破法；龍江水電站樞紐

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.09.020

中圖分類號：TG40

Application of blasting method for eliminating branch pipe welding

stress in Longjiang Hydro-junction Project construction

ZHANG Xinan1, FAN Jianli2

(1.GezhoubaGroupProjectManagementCo.,Ltd.,Yichang443002,China;

2.YunnanLongjiangWaterConservancyHubDevelopmentCo.,Ltd.,Dehong678400,China)

Abstract:Large thick wall pressure steel pipeline branch pipes in water conservancy and hydropower project are usually installed and welded in the site. Original residual stress numerical value of the weld is generally higher. When pressure steel pipe load tensile stress is superposed with welding residual tensile stress, safe operation of hydropower station pressure steel pipe will be seriously affected. Explosion method can eliminate welding stress of metal member through releasing energy produced by instantaneous detonation. It is regarded as an advanced technology and has prominent advantages of simple and convenient construction, no limitation by structure dimension and material property, etc. In the paper, principles, concrete methods and practical effect of applying blasting method for eliminating welding stress of water transfer pressure steel pipeline branch pipes in Yunnan Longjiang Hydropower Station Hydro-junction Project are introduced.

Key words: metal branch pipes; indentation strain method; residual stress; blasting method; Longjiang Hydropower Station Hydro-junction

1工程概述

云南龍江水利樞紐工程位于云南德宏傣族景頗族自治州芒市市境內(nèi)的龍江干流上，水庫總庫容12.17億m3，為大(1)型Ⅰ等工程。是以發(fā)電、防洪為主，兼顧灌溉的大型水資源綜合利用工程。

樞紐工程由混凝土雙曲拱壩、引水系統(tǒng)、發(fā)電廠房和升壓站4個單位工程組成。電站裝機容量240MW，保證出力68.5MW，已安裝3臺單機容量為80 MW的混流式水輪發(fā)電機組，多年平均發(fā)電量10.28億kW·h。工程于2006年11月28日正式開工建設(shè)，2010年7月21日首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2010年11月18日全部機組并網(wǎng)發(fā)電，2013年12月通過竣工驗收。

引水系統(tǒng)采用一洞三機的布置方式，引水隧洞布置在左岸的山體中，洞段長 104.74m，隧洞內(nèi)徑10.5m，采用鋼筋混凝土襯砌。引水隧洞下游依次為壓力鋼管主管段、岔管段和支管段。壓力鋼管主管最大直徑(內(nèi)徑)為11m，長度約73m，最大鋼管壁厚40mm，肋板厚72mm ；岔管采用梳齒形布置，分岔角度為55°，梳齒形岔管平行分出3條內(nèi)徑5.7m的支管，支管中心線間距18.00m。岔管段長為49.57m，1號～3號支管長分別為50.93m、38.33m、33.63m，岔管及支管均采用鋼管外包混凝土襯砌。1號岔管肋梁開口12.7m(當(dāng)時為國內(nèi)最大)，2號岔管肋梁開口10.1m。主管(岔管)和支管分別選用Q390C和Q345鋼板母材加工。

2壓力鋼管的安裝施工

主洞鋼管及岔管瓦片在臨時施工支洞口的場地上拼裝組圓、焊接，探傷合格后再吊至鋼制臺車運到安裝位置。支洞鋼管整體運至廠房，由廠房施工用塔機吊至蝶閥位置處，通過廠房上游邊墻預(yù)留孔運至安裝位置。

鋼管管節(jié)的縱縫、相鄰管節(jié)的環(huán)縫及加勁環(huán)焊縫均采用手工焊接完成。岔管拼裝焊接方法為手工電弧焊，焊條型號為CHE507，熔敷金屬的屈服強度為420MPa。岔管用材料為Q390C正火鋼，板厚40mm。月牙肋鋼板厚度72mm。母材實測屈服強度為400~410MPa。

3焊接殘余應(yīng)力的測試與分析

金屬在拼裝焊接過程中，由于受接縫焊接區(qū)域的局部高溫熔化和焊接后的不均勻冷卻，會產(chǎn)生不均勻的溫度場，導(dǎo)致金屬構(gòu)件產(chǎn)生殘余焊接應(yīng)力。尤其是厚管壁的大型構(gòu)件，焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力大，殘余應(yīng)力消除的難度也大。特別是殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力且與載荷應(yīng)力疊加時，將對構(gòu)件的使用產(chǎn)生嚴重影響。消除或調(diào)整焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力,可以提高構(gòu)件的抗疲勞能力以及抗脆斷能力。

水電站工程大型厚壁壓力鋼管岔管通常由現(xiàn)場安裝組焊完成,焊縫原始殘余應(yīng)力數(shù)值一般較高,甚至接近了材料的屈服強度,如果不采取消除或減小焊接殘余應(yīng)力的措施,尤其是遇水輪發(fā)電機組緊急停機工況時，在“水錘”壓力作用下，壓力鋼管荷載拉應(yīng)力同焊接殘余拉應(yīng)力疊加，將嚴重影響水電站壓力鋼管的安全運行。是否進行消應(yīng)處理，通常取決于原始焊接應(yīng)力的大小。因此，需要對原始焊接應(yīng)力進行測試。

利用壓痕周圍形成的彈塑變形場信息，可測量金屬焊接殘余應(yīng)力。通常采用沖擊方法制造壓痕，尋找壓痕外彈性區(qū)內(nèi)的位移場隨殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。由于該區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變值由壓頭全塑性壓入過程中壓痕自身形成的應(yīng)力場和殘余應(yīng)力的松弛共同疊加作用形成，此種量測金屬原始殘余應(yīng)力的方法稱為壓痕應(yīng)變法。測量方法及原理見圖1、圖2。

圖1　壓痕法測量應(yīng)力示意圖

圖2　壓痕法測量應(yīng)力原理

εy——y方向的殘余彈性應(yīng)變計算值，με。

獲得彈性應(yīng)變εx，εy后，利用材料力學(xué)胡克(Hooke)定律計算雙向殘余應(yīng)力。

本工程輸水壓力鋼管岔管段金屬焊接殘余應(yīng)力采用BE120—1BA—ZKY型雙向應(yīng)變花和KJS—3+型智能壓痕應(yīng)力測試儀進行無損壓痕法量測。打擊壓頭直徑1.59mm，最大壓痕直徑約1.1mm，深度0.2mm。該設(shè)備以應(yīng)變片為測量敏感元件，結(jié)合計算機技術(shù)，快速準確地完成各類結(jié)構(gòu)表面殘余應(yīng)力的無損測量工作，精度明顯優(yōu)于一般應(yīng)力測試方法。測量時將應(yīng)變片的兩向應(yīng)變柵分別沿著與焊縫平行和垂直的方向粘貼，打擊壓痕后獲得應(yīng)變輸出值，按相關(guān)公式自動計算出殘余應(yīng)力大小。

在壓力鋼管岔管段焊接安裝后，雖然通過常規(guī)的質(zhì)量檢驗滿足要求，但經(jīng)過壓痕應(yīng)變法檢測發(fā)現(xiàn)，1號、2號岔管處的最大原始焊接殘余應(yīng)力達到了0.9～1.1倍的Q390C母材和焊條熔敷金屬的屈服強度410MPa(參見下頁表1、表2)。

4岔管爆破法消應(yīng)處理工藝

為解決龍江水電站樞紐工程壓力鋼管岔管殘余壓力過高問題，經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理和施工等參建各方研究論證，選擇爆炸消除原始焊接應(yīng)力的方式進行處理。監(jiān)理單位對處理全過程進行跟蹤。

作為一種先進的消除金屬焊接殘余應(yīng)力技術(shù)，爆炸處理具有十分突出的優(yōu)點。它將特種低爆速塑性橡膠炸藥或工業(yè)導(dǎo)爆索布置在表面貼有防燒蝕緩沖層的焊縫附近，靠瞬間爆轟產(chǎn)生的能量釋放達到消除焊接應(yīng)力的目的。與其他方法相比，該方法消除應(yīng)力效果好，施工簡單、方便，同時不受結(jié)構(gòu)尺寸和材料性質(zhì)的限制，幾乎適用于現(xiàn)有各類場合的焊接結(jié)構(gòu)件。此方法的主要缺點是產(chǎn)生一定的噪聲和振動，因而對爆炸區(qū)周圍環(huán)境有一定要求。

采用爆炸法消除殘余焊接應(yīng)力的處理部位分別為：1號岔管鄰近月牙肋的角縫、環(huán)縫和縱縫，焊縫總長約150m；2號分岔管鄰近月牙肋的角縫、環(huán)縫和縱縫，焊縫總長約100m。

由于工程地點的特殊性和工程的緊迫性，爆炸材料如果選用從內(nèi)地定制的專用炸藥，遠距離運輸有較大困難。本次處理因地制宜從當(dāng)?shù)刭徺I工業(yè)導(dǎo)爆索為爆炸用藥，以代替特種橡膠炸藥。根據(jù)類似工程經(jīng)驗和有關(guān)研究成果，采用每米80~120g的用藥量。

為避免噪聲和振動對其他部位施工的干擾，爆炸處理時間安排在每天的中午12點和晚上19點進行。焊縫爆破處理范圍根據(jù)實測的殘余應(yīng)力值大小和分布情況，由業(yè)主、設(shè)計、監(jiān)理等參建單位聯(lián)合確定。具體部位主要包括肋板角焊縫和肋板附近的環(huán)縫及其岔上的所有縱縫。由于現(xiàn)場條件所限，爆炸處理只在管內(nèi)表面進行。

5爆破消應(yīng)處理效果檢驗

在嚴格執(zhí)行上述爆炸處理工藝的基礎(chǔ)上，為進一步說明實際處理的效果，現(xiàn)場對岔管的典型部位進行了爆炸前后的殘余應(yīng)力數(shù)值測試對比，以驗證岔管的實際爆炸處理效果。

爆炸處理前后的殘余應(yīng)力測點位置分別參見下頁圖3、圖4。爆炸處理前、后的內(nèi)外表面應(yīng)力測定結(jié)果分別列于表1、表2。

圖3　1號岔管測點位置(圖中實線為處理焊縫，實心點 為內(nèi)部測點，空心點為外部測點)

圖4　2號岔管測點位置(圖中實線為處理焊縫)

測點位置原 始 狀 態(tài)爆 炸 處 理應(yīng)力降低率/%應(yīng)變(△εx/△εy)/με應(yīng)力(σx/σy)/MPa應(yīng)變(△εx/△εy)/με應(yīng)力(σx/σy)/MPax/y內(nèi)側(cè)肋頭1-580/-842385/454-208/-54293/20475.8/55.0環(huán)縫2-1094/-379519/403-355/-484146/19871.9/50.9環(huán)縫3-756/-560424/367-408/-409191/19254.9/47.6縱縫4-841/-187418/258-339/-340124/12570.3/51.6環(huán)縫5-880/-661476/423-272/-546156/20667.2/51.3肋角6-610/-720350/402-411/-237149/4157.4/89.8環(huán)縫7-672/-739415/433-342/-448156/17662.4/59.4縱縫8-812/-700460/433-423/-232179/7861.1/82.0肋角9-625/-168382/380-524/-332167/14356.3/62.4環(huán)縫10-610/-478349/304———外側(cè)環(huán)縫1-788/-325429/349-582/-150292/27131.9/22.3環(huán)縫2-619/-156306/121-531/-53198/-1635.3/113

注　 σ x、σ y分別為沿焊縫和垂直焊縫方向的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力。

注σx、σy分別為沿焊縫和垂直焊縫方向的縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力。

6結(jié)語

a.龍江水利樞紐工程輸水壓力鋼管兩個主岔管的焊接原始殘余應(yīng)力大多在300～500MPa之間。采用單面爆破處理技術(shù)，每米焊縫炸藥用量為80~120g，在此范圍內(nèi)根據(jù)母材厚度、焊縫具體位置調(diào)整。經(jīng)爆炸處理后：1號岔管內(nèi)側(cè)焊縫殘余應(yīng)力消除率平均達到60%以上；2號岔管內(nèi)側(cè)焊縫殘余應(yīng)力消除率平均達到58%以上。岔管外表面焊縫的應(yīng)力消除率也可達到30%左右。

b.兩個岔管內(nèi)表面平均剩余應(yīng)力為154.8MPa，低于結(jié)構(gòu)母材料屈服強度值的62.2%，最大剩余應(yīng)力為204MPa，低于材料屈服強度值的50.2%。

c.此次采用爆炸法對壓力管道岔管焊接殘余應(yīng)力進行消減處理，效果明顯，控制得當(dāng)，沒有對構(gòu)件造成表面變形和結(jié)構(gòu)損傷，達到了預(yù)期處理效果，滿足設(shè)計使用要求，具有一定的工程借鑒價值。

參考文獻

陳懷寧，胡凱雄，吳昌忠.壓痕應(yīng)變法測量殘余應(yīng)力的不確定度分析[J]. 中國測試，2010(1)：24-25.