呼和浩特抽水蓄能电站790MPa级高强钢残余应力测试

陈初龙，铁朝虎，余　健，王　浩

（中国长江三峡集团呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010051）

呼和浩特抽水蓄能电站790MPa级高强钢残余应力测试

陈初龙，铁朝虎，余健，王浩

（中国长江三峡集团呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010051）

摘要：主要介绍了残余应力测试的方法和原理等，应用X射线衍射法对国内首次大规模应用790 MPa级高强钢的呼和浩特抽水蓄能电站引水系统压力钢管的焊接残余应力进行了测试，测试成果为机组充水后的压力钢管安全运行提供了技术分析和检验依据，也为后续类似电站使用790MPa高强钢板做好技术储备。

关键词：X射线衍射法；高强钢；残余应力；测试

1　工程概况

呼和浩特抽水蓄能电站（以下简称“呼蓄电站”）位于内蒙古自治区呼和浩特市东北部的大青山区，工程由上水库、水道系统、地下厂房系统及下水库等建筑物组成，总装机容量为1 200MW，安装4台单机容量为300MW的混流可逆式水泵-水轮机组。水道系统由上水库进出水口、引水隧洞、引水调压井、压力管道、尾水隧洞和下水库进出水口组成，引水系统采用一管两机直进直出厂房的布置方式。2条引水系统的压力钢管相互平行，分别由上弯管段、上斜井、中平段、下斜井、下平段、岔管段及两条支管段组成，主管直径为5.4～4.6m，支管直径3.2m，每条压力管道长约1 200m，全部为钢板衬砌，额定水头521m。分别在距厂房上游边墙65m和50m处布置两个高压钢岔管，两个岔管体形尺寸完全相同，采用对称“Y”型内加强月牙肋型结构，设计内水压力9.06MPa，采用国产790MPa级高强钢板制造，HD值达到4 168m2，是目前国内已建（在建）水电工程中HD值最大的钢岔管。

2　测试目的、方法及原理

2.1测试目的

呼蓄电站首次在高水头电站大规模使用国产790MPa高强钢板，为了进一步研究和掌握790MPa级高强钢压力钢管在安装过程中，由于焊接施工、安装条件等因素的影响，对施工过程中所产生的焊接残余应力以及焊接残余应力分布状态与水平进行量化的检验测试，选取了790MPa引水压力钢管有代表性的地方进行残余应力测试，为机组充水后的压力钢管安全运行提供技术分析和检验依据。同时，为后续类似电站使用790MPa高强钢板做好技术储备。

2.2测试方法

残余应力的测试方法可以分为有损和无损两大类。有损测试方法就是应力释放法，也可以称为机械的方法；无损方法就是物理的方法。机械方法目前用得最多的是钻孔法（盲孔法），其次还有针对一定对象的环芯法、取条法、切槽法、剥层法、压痕应变法等。其优点是测量方法简便，但对构件构成损伤，在高强钢结构上不建议采用。物理方法中用得最多的是X射线衍射法，其他主要物理方法还有中子衍射法、磁弹法、超声法、电子散斑干涉法等。它对被测构件无损害，但对测试工作的技术条件要求高、劳动强度大、仪器成本也高。

本次焊接残余应力测试采用X射线衍射法。在各种无损测定残余应力的方法之中，X射线衍射法被公认为最可靠和最实用的。它原理成熟，方法完善，经历了70余年的进程，在国内外广泛应用于机械工程和材料科学，取得了卓著成果。

2.3测试原理

X射线残余应力测试方法的原理是基于著名的布拉格方程2dsinθ=nλ：即一定波长的X射线照射到晶体材料上，相邻两个原子面衍射时的X射线光程差正好是波长的整数倍。通过测量衍射角变化Δθ从而得到晶格间距变化Δd，根据胡克定律和弹性力学原理，计算出材料的残余应力（见图1）。

图1　X射线残余应力测试原理

根据弹性力学理论，在宏观各向同性晶体材料上角度φ和ψ方向的应变可以用如下方程表述：

图2ε与sin2对应函数关系曲线

X射线应力测定仪是一种简化和实用化的X射线衍射装置，因而它还有一项附加的功能──测定钢中残余奥氏体含量。由于它适用于各种实体工件，而且能够针对同一点以不同的角、角进行测试，以探测织构的影响，这项功能便具备了重要而独特的用途。

3　残余应力测区布置与处理

3.1测区布置原则

残余应力测区选在引水隧洞水平段、渐变段、岔管与支管连接焊缝、下弯段等790MPa级钢管段，包括现场安装的8处丁字缝、7处环缝以及厂内制作的2处纵缝，每个测区包括焊缝、熔合线以及热影响区，测点主要为压力钢管在制作安装中可能存在应力较大以及运行工况最不利的焊缝部位。测区在做到全覆盖的前提下，选择具有代表性、能全面反映引水压力钢管应]力分布情况，[结合测试方案]及钢管特性，明确了残余应力检测部位分别布置在材质为790MPa高强钢焊缝上，具体位置如下：

1）1号引水压力钢管高压钢岔管的主管测1处丁字缝和1处环缝；一条支管测1处环缝。

2）1号引水压力钢管中平段凑合节两条对接合拢环缝各1处丁字缝和1处环缝（共4处）。

3）1号引水压力钢管两条高压支管的第一节锥管和上游直管相连的环缝上各1处丁字缝。

4）1号引水压力钢管的7号弯管段1处丁字缝；2号引水压力钢管的8号弯管段1处腰线处的.T环r(缝)。

5）1号引水压力钢管下平段在管径4.6m和3.2m（高压支管段）的管节分别选1处丁字缝。

6）1号引水压力钢管两条高压支管最后一节管径为2m的明管段分别选1处纵缝。

7）由压力钢管安装单位根据现场安装焊接返修较多的部位选取3个测区。

3.2测区表面的预处理

被测焊缝表面用角向磨光机磨除待测区域焊缝余高，露出金属光泽。用砂纸抛光轮将测区进行抛光，用饱和盐水电解质对测区进行电解抛光，直至消除磨痕，并清晰地分辨出焊缝、熔合线和热影响区。

在测区表面用钢板尺和铅笔沿焊缝垂直方向划一条直线，确定焊缝中心0点和熔合线的位置，并按图3、图4标出测点位置。σx表示与焊缝方向平行的残余应力，σy表示与焊缝方向垂直的残余应力。

图3　环缝和纵缝测区的测点布置示意图

图4　T字缝测区的测点布置示意图

4　测试结果与分析

4.1测试数据

2014年4月3日至2014年6月4日，内蒙古呼和浩特抽水蓄能发电有限责任公司委托水利部水工金属结构质量检验测试中心，对压力钢管材质为790MPa高强钢焊缝进行了焊接残余应力测试。测试数据统计如下：

1）1号压力钢管中平段2个丁字缝测区和1个环缝测区，共检测50个测点；1号压力钢管下弯段1个丁字缝测区，测点21个；下平段岔管前布置测区5个，其中丁字缝测区2个，环缝测区3个，测点共63个；下平段岔管后布置9个测区，测点共105个。

2）2号压力钢管下平段岔管前布置1个环缝测区，测点7个；岔管后布置1个环缝测区，测点7个。

以上总共布置测区20个，测点253个。

4.2测试结果分析

按照相关方制定的测试部位对2条790MPa高强钢压力钢管中平段、下平段20个不同典型部位共计253个测点进行了焊接残余应力测试，每个测点测试平行于焊缝和垂直于焊缝两个方向的残余应力。总体上看，大部分焊缝残余应力数值远低于材料的金属材料规定非比例延伸强度（Rp0.2）。

全部测试数据中共有5个点超过了790MPa级高强钢的金属材料规定非比例延伸强度（Rp0.2=665MPa）。这5个点分别位于1号岔管与1号支管第1管节环缝（1号岔管/Z1-1环缝）的10y测点（轴向残余应力测试值为798MPa）、1号岔管与1号支管第1管节环缝（1号岔管/Z1-1环缝）的0y测点（轴向残余应力测试值为729MPa）、1号支管第16/17管节丁字头（Z1-16/17丁字头）的2-15y测点（轴向残余应力测试值为 676 MPa）、1号支管第 22/23管节（Z1-22/23环缝）的-10y测点（轴向残余应力测试值为671MPa）和2号岔管与1号支管第1管节环缝（2号岔管/z1-1环缝）的0y测点（测试值为728MPa）。

表1　钢管焊接残余应力测试结果统计表

另外1号压力钢管中平段合拢缝209/210管节丁字缝轴向残余应力达到657MPa，残余应力值较高。

从测试结果来看，支管与两台钢岔管与相连的焊缝轴向残余应力数值较大，1号岔管/Z1-1环缝最大轴向残余应力达到798MPa，1号岔管/Z2-1环缝的最大轴向残余应力达到648MPa，2号压力钢管2号岔管/z1-1环缝测区环缝最大轴向残余应力达到728MPa。上述区域的其他测点轴向残余应力值也偏高。

采用X射线衍射法测得的应力数值是根据材料弹性理论计算得到，若测试数据高于材料的规定非比例延伸强度（Rp0.2=665MPa），该测点残余应力数据只作为参考，表明该测区焊缝处焊接残余应力水平较高。

5　结论

从残余应力测试数据总体上看，大部分焊缝残余应力数值较低。反映出压力钢管在安装过程中控制残余应力的工艺措施能得到有效控制。

引水压力钢管790MPa高强钢材料的断后伸长率供货指标大于15%，具有较好的塑性。在内水压力工况下，静载的工作应力与焊接残余应力叠加，材料尚具有足够的塑性裕量。但应注意在交变载荷作用下，动应力与焊接残余应力叠加，对材料的变形性能有不利影响。

几处焊缝残余应力较大数值均为轴向拉应力，表明该处焊缝焊接时受到了较大的外部拘束。建议加强对焊接残余应力水平较高的相关部位进行定期无损检测，确保钢管安全运行。

参考文献：

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[3]曹芡，肖兴恒.内蒙古呼和浩特抽水蓄能电站工程关键技术问题研究[J].中国三峡，2013（3）.

[4]SL 547-2011水工金属结构残余应力测试方法-X射线衍射法[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

[5]SL536-2011X射线衍射应力测定装置校验方法[S].北京：中国水利水电出版社，2011.

中图分类号：TG40

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）06-0039-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.011

收稿日期：2015-04-01

作者简介：陈初龙（1964-），男，高级工程师，从事水电站设备物资质量管理工作。