变电站构架水泥杆钢圈对接焊缝无损检测及应力分析

晏嘉陵，陈安生，陈庆涛，田 宇

(1. 安徽省电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2. 安徽省电力公司，安徽 合肥 230022)

1 前言

某220 kV 变电站是该地区220 kV 网架的重要一环，于上世纪70年代建成投运，担负着向该市区供电的任务。由于该变电站设备投运时间较长，因此对该变电站220 kV 配电装置区所有母线和构架，线路、主变、分段间隔和旁路母线间隔的跨线进行改造和更换。变电站构架是用于悬挂、支撑导体或开关设备及其他电气设备的刚性构架组合。构架的受力以水平荷载(导线及地线的拉力)为主，其次为风载。此类构架柱高而断面小，属于大柔度结构。为保证改造后构架的施工质量，对构架立柱对接焊缝进行了射线检测以及结构应力分析。

本次采用的检测方法为数字式X 射线实时成像技术。该技术是利用胶片将X 射线透照过的物体内部信息记录下来，通过显影、定影等暗室处理后进行检测和评估的技术。DR 数字实时成像系统包括X 射线源、成像板系统、信号放大和ICU 数据采集处理单元、计算机图像处理存储传输系统、图像显示系统等。

2 检测结果

本次改造工程中，构架采用A 型或门型环形截面钢筋混凝土水泥杆，每根水泥杆连接处为钢圈对接焊缝。首先对各对接焊缝进行宏观检查，然后对有疑问的焊缝进行无损检测。

从现场对钢圈接头的宏观检查结果来看，部分焊缝明显存在外错口(见图1)，且接头上未见焊工的钢印代号(根据GB 50233—2005 中6.3.3 的要求)。出现错口的主要原因是钢圈不圆。错口的外错边量约为3～4 mm。由于两侧钢圈壁厚相同，均为8 mm，因此估计内错口也应为3～4 mm。

图1 钢圈对接焊缝错口

整个工程共有水泥杆钢圈焊接接头52 个，对其中的8 个焊缝进行了随机抽检。经超声波检测和X 射线检测发现，8 个焊缝均存在严重的未焊透、气孔等缺陷(见图2)。根据GB 3323—2005《金属熔化焊焊接接头射线照相》和GB 11345-89《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级》，评定所查焊缝缺陷等级均为Ⅳ级。而按工程设计单位的要求，该焊缝应符合二级焊缝的技术要求。根据JGJ 81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》要求，二级焊缝(超声波B 级或射线AB 级)的缺陷等级应达到Ⅲ级或Ⅲ级以上。另外，GB 50205—2001《钢结构工程施工及验收规范》也有类似要求。故此次抽查检验的8 个焊缝均不满足标准要求。

图2 部分焊缝X 射线检测结果照片

3 检测结果分析

针对该变电站构架钢圈对接焊缝无损检测的情况，对A 型、门型构架受力进行了有限元分析计算。由于设计单位未能提供具体的载荷资料，仅根据设计图纸中的载荷计算条件，对这2 种类型的构架进行简化计算。构架示意图见图3 和图4。

图3 门型构架示意

3.1 有限元计算结果

为便于分析对接焊缝的受力情况，只取整个立柱的上半部分(见图3、图4，因A 型构架最上方焊缝处采用槽钢加固，故不予考虑)进行分析计算。模型尺寸依据设计图纸，只考虑立柱、横梁以及拉线。假设母材和焊缝中均不存在任何缺陷，在最不利的载荷情况下，按照简支梁端部受载，确定底部环焊缝应力情况。将实际导线张力、风载荷、振动载荷以及其他静载荷等载荷条件简化，换算为集中载荷施加在立柱顶部。材料为Q235B(屈服强度为235 MPa，弹性模量为2.06×105 MPa，泊松比为0.3)，载荷为20 kN(图纸规定：出线站外侧每相导线拉力不大于10 kN/相，地线拉力不大于5 kN/相)。立柱和拉条底部均采用固定约束。分别对钢圈厚度为6，8，10 mm 进行了计算。

图4 A 型构架示意

3.1.1 门型构架有限元分析结果

由计算结果可以看出，在立柱顶部集中载荷的作用下，立柱底部应力最大，并随着钢圈壁厚的减小，底部环焊缝的等效应力显著增加。在钢圈壁厚为6 mm 时立柱根部(即对接焊缝处)等效应力约为231 MPa，接近Q235B 的屈服强度(235 MPa)。

3.1.2 A 型构架有限元分析结果

由计算结果可以看出，在立柱顶部集中载荷的作用下，A 型立柱一侧受拉应力，一侧受压应力。最大应力出现在根部位置(即对接焊缝处)，并随着钢圈壁厚的减小，底部对接焊缝的等效应力显著增加。在钢圈壁厚为6 mm 时立柱根部(即对接焊缝处)等效应力约为198 MPa，接近Q235B 的屈服强度(235 MPa)。

总体而言，门型构架对接焊缝处的应力大于A型构架对接焊缝处的应力；又由于A 型构架两侧有斜撑，能承担相当大的一部分载荷，所以其整体承载工况要优于门型构架。

3.2 焊接残余应力

钢圈对接焊缝可近似看作管对接焊缝。在焊接过程中，由于各区域焊接热输入不均匀的影响，在焊接区产生切向(圆周方向)和轴向(垂直于圆周方向)残余应力，其中切向残余应力见图5。

图5 管对接焊缝中切向残余应力分布

由图5 可知，焊缝区中存在较高的切向残余应力为拉应力，有时最大切向残余应力可达到材料的屈服极限。同时，轴向应力在焊缝外表面为压应力，内表面为拉应力。又因为钢圈对接焊缝采用V 形坡口多层焊，每焊一层就产生一次弯曲作用，多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使各项应力不断升高，在焊缝根部产生较高的拉应力。因此，在一定外载荷作用下，各种应力累加导致焊缝根部应力较大，该部位承载能力比较薄弱。若对接焊缝存在未熔合、未焊透等缺陷，其承载能力将进一步削弱。

3.3 分析及结论

由上述分析可知，在一定外载荷作用下，在焊接残余应力叠加、累加的作用下环焊缝处应力较大，若存在未焊透、未熔合等缺陷而形成裂纹，裂纹将进一步扩展直至构架完全断裂，势必严重威胁构架所支撑电气设备的安全运行。

由于此次分析计算系简化计算，载荷不能完全反映现场工况(该地区属于地震活跃区)，且计算结果偏保守。另外，考虑因焊缝的存在减弱构架承载能力等因素，因此门杆对接钢圈的最小厚度宜定为8 mm，此时对应的焊缝质量等级宜为一级。如果钢圈的壁厚再厚些，则对应的焊缝质量要求可以略放宽一些。

据DL/T 5092—1999《110～500 kV 架空送电线路设计技术规程》规定，各种焊缝的强度设计值应按GB 50017—2003《钢结构设计规范》的有关规定确定。根据规定，在需要进行疲劳计算的构件中，凡对接焊缝均应焊透，质量等级最低为二级；在不需要计算疲劳的构件中，凡要求与母材等强的对接焊缝应予焊透，其质量等级当受拉时应不低于二级，受压时宜为二级。

综合检测结果、有限元计算结果以及相关规范要求，此处对接焊缝的质量等级应不低于二级。因此次技改工程的构架水泥杆钢圈接头质量不能满足二级焊缝要求，建议对此次技改工程水泥杆所有钢圈接头进行返修。如工程进度来不及，也可采取可行、可靠的加固措施。

4 讨论

在此次变电站构架水泥杆钢圈对接焊缝的检测中发现，工程施工及监理单位通常使用GB 50233—2005《110 ～500 kV 架空送电线路施工及验收规范》进行验收。

GB 50233—2005 中对焊缝外观质量的要求如下：母材咬边深度不得大于0.5 mm，且不得超过圆周长的10 %；表面裂缝不允许；焊缝不足不允许(规范中表6.3.3-2)。从以上要求来看，对焊缝质量的要求还是较高的。从该标准中表6.3.3-1 的图示来看，焊缝似乎是要求全焊且焊透的，但该标准并未对焊缝内部质量作出明确要求，而且在钢圈对接焊缝的质量要求方面，该标准与GB 50205—2001 是有冲突的。这部分内容的规定显得不合理、不科学、不规范。从质量控制体系来看，制造、施工质量验收应按设计要求进行，而不能取代设计。然而GB 50233—2005 不考虑焊缝质量等级要求和设计规范，仅要求焊缝外观合格，是不能满足设计和现场实际要求的。

由于标准的冲突，在实际使用中造成了一定的混淆。设计单位出于“惯例”，未在图纸上用文字标明焊缝质量要求，而施工单位既未能准确理解图纸，也未与设计单位进行沟通，按“惯例”按三级焊缝施工及验收。监理单位也未能准确理解图纸，也按“惯例”进行监理。

近几年，电力系统内已有多个水泥电杆因钢圈接头失效而倒杆。因此，应尽快对GB 50233—2005 中的相关条款进行修改，以满足实际需要。

5 建议

针对在构架水泥杆钢圈对接焊缝的检测过程中所暴露出的一些问题和不足，提出以下建议。

(1)电网工程设计单位在进行此类焊接设计时，应在图纸中明确注明焊缝的质量要求。

(2)据监理单位反映，施工中未见焊接工程施工交底、焊接工艺指导书等文件，建议电网工程施工单位在进行此类焊接施工时，与设计单位进行沟通，准确理解图纸，严格施工质量管理，保存好施工交底、作业指导书、验收记录等文件，以便出现质量问题时能追根溯源。

(3)电网工程监理单位在进行此类焊接施工监理时，应准确理解图纸，对重要节点可设置停工待检点等，加强对工程质量的监理。

1 中南电力设计院. 变电构架设计手册[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2006.

2 胡天明. 射线探伤[M]. 武汉：武汉测绘科技大学出版社，1994.

3 曾 攀，雷丽萍，方 刚. 基于ANSYS 平台有限元分析手册[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

4 方洪渊. 焊接结构学[M]. 北京：机械工业出版社，2009.