水电站钢岔管残余应力测试与分析

关 磊，余鹏翔，邱丛威

(水利部产品质量标准研究所，浙江 杭州 310024)

1 概述

钢岔管是指压力钢管分岔处的管段，一般包括主管、锥形管和支管，由于岔管处于输水压力钢管的关键部位，主要构件的设计厚度较大。国内某抽水蓄能电站钢岔管为对称“Y”型内加强月牙肋型，材质为国产800MPa高强钢，主、支管壁厚度均为66mm，月牙肋板厚138mm，承受内水头高，HD值世界前茅。

钢岔管的结构特点是钢板厚、焊缝多、约束度大，在焊接过程中虽然采取成熟的焊接工艺，但焊接是一个局部熔化、局部高温、温度梯度极高、温度快速升高或快速下降，并且发生结晶和相变的过程。在实际操作中，不可避免地出现焊缝高温区的膨胀受到周边低温区的限制与挤压，使高温区域产生局部压缩塑性变形，焊接部位在冷却过程中，塑性变形未能自由收缩，从而产生残余应力。

由于焊接产生的残余应力与外加载荷的应力一样，是促成应力腐蚀的因素之一，会降低钢岔管抗脆断性和抗腐蚀能力，严重影响设备质量[1]。若高残余应力区存在焊接缺陷，会降低该处静载强度，在水流冲击下，则会加剧应力集中处的金属疲劳，可能导致焊缝应力腐蚀开裂，也可能使焊件局部屈服或失稳，进而影响钢岔管的强度、刚度和整体稳定性。因此，在钢岔管安装前必须消除残余应力，以保证钢岔管安全稳定运行。

在水电站引水系统中，水压试验作为消除残余应力的主要工艺方法得到广泛地应用[2-3]。水压试验不但可以使残余应力重新分布，消除钢岔管的尖端应力及施工附加变形，达到对钢岔管的局部削峰作用[4]，提高钢岔管整体抗脆断和抗应力腐蚀能力，而且可以检验钢岔管的制作和焊接施工质量，验证结构的可靠性[5]。

2 残余应力测试

本次水压试验的最高压力为设计压力的1.25倍，为检验水压试验消除残余应力的效果[6]，选取残余应力较大的区域在水压试验前后分别进行残余应力测试。为使测试数据具有对比价值和科学意义，水压试验前后选取同一位置进行残余应力测试。

工程现场常用的残余应力无损测定方法主要有压痕应变法、X射线衍射法、超声法等[7]。压痕应变法是一种利用球形压痕诱导产生的应变增量测定残余应力的方法[8]，操作简单，但其缺点是只能用于平面应力的测定，而且测试数据的处理比较复杂。超声法的特点是方向性好、穿透能力强，可以检测试样表面以及大体积范围的内部残余应力，但其受材料各向异性、环境温度、探头与构件之间耦合的影响较大，常常需要标定试验，而且其主要应用于大范围体积内残余应力的测定，无法获取局部残余应力的大小与状态分布。盲孔法测残余应力也在一些工程上有所应用[9]，但是半无损的检测特点限制了它的使用。X射线衍射法是利用晶面间距随应力变化来计算残余应力的[10-11]，其理论和实践都比较成熟，因此，本次采用X射线测定仪进行残余应力的测试。

2.1 测试原理

X射线测定残余应力原理基于X射线衍射理论[12]，相关的布拉格公式如下：

2dsinθ=nλ

(1)

式中，n—整数；θ—布拉格角，是入射线和微观的晶面之间的夹角，2θ则是入射线的正方向同反射线之间的夹角，又称为衍射角，公式中有三个变量d、θ、λ。当晶体中存在应力时，必然有应变发生，而应变又必然表现在晶面间距d的变化上。这样，可以用已知波长λ的X射线去照射该晶体，测出衍射角2θ的变化，按照布拉格公式求出晶面间距d的变化，计算出应力值。

2.2 测区和测点布置

根据钢岔管三维有限元的计算结果，结合钢岔管焊缝的实际分布特性，选取关键、有代表性的高应力区作为残余应力测试区域，本次采用金属磁记忆检测技术[13]确定这些高应力区的应力集中区作为测试区域，选取A、B、C、D、E 5个测试区域，测区布置如图1所示。

图1 残余应力测区布置示意图

打磨去除测区内的焊缝余高，使之与两侧的母材齐平，并使用电解抛光技术对测区进行电解抛光，以去除引入的磨削应力并保持抛光区域光滑，并清晰显示母材和焊缝的熔合线为宜。

测区内测点分布示意如图2所示，每个测区内选择5个测点，以焊缝中心作为中心测点0，焊缝两侧熔合线处各布置一个测点，分别为+1和-1测点，两侧距熔合线5mm的母材处各布置一个测点，分别为+2和-2测点，每个测点分别测试X向即平行于焊缝方向和Y向即垂直于焊缝方向的应力值。

图2 残余应力测区内测点分布示意图

2.3 测试结果及分析

残余应力测试共计5个测区，每个测区测试10个应力值：X向5个、Y向5个，共计50个分量残余应力值。应力测试值及应力降低率统计见表1，环向焊缝测区B和纵向焊缝测区C测试数据分别用柱状图表示，如图3和图4所示。

图3 B测区内各测点水压试验前后残余应力值比较

图4 C测区内各测点水压试验前后残余应力值比较

(1)由表1可以看出，水压试验前残余应力测试5个测区的最大应力值为584MPa，位于B测区的焊缝中心点，为X向应力值；其余应力值均在最低屈服强度685MPa的83%以下，说明钢岔管的设计方案及施工工艺等参数选取是科学合理的，钢板及焊接材料的选择是正确可行的，没有产生较高的残余应力。

表1 水压试验前后残余应力测试值与应力降低率统计

(2)从单测点应力降低率统计可以看出：除B区域、E区域各有一点降低率为负值外(这两处残余应力均属低应力值)，其余测点降低率均为正值，说明水压试验降低或均化残余应力效果明显；水压试验前，残余应力值在466MPa以上的测点共计12个，水压试验后，残余应力降低率为14.01%～59.81%，除其中有一编号为A+2的测点Y向应力降低率为14.01%外，其余均在20%以上。由此可见，水压试验对残余应力具有消峰作用，尤其对最低屈服强度68%以上的残余应力峰值的消除效果明显。

(3)从各测区平均应力降低率统计可以看出：在环向焊缝测区A、B、D、E内，X向平均应力降低率分别为28.59%、34.13%、24.52%、30.25%，明显高于同一测区Y向平均应力降低率11.29%、10.62%、12.88%、15.53%，而在纵向焊缝测区C内，Y向平均应力降低率为33.69% 明显高于同一测区X向平均应力降低率11.81%。由此可见，水压试验对环向焊缝的X向应力降低效果比较明显，对钢岔管纵向焊缝的Y向应力降低效果比较明显。

(4)水压试验后，同一测区残余应力值比较均匀，分布较为合理，各测区残余应力值均在最低屈服强度的65%以下，符合设计要求。

3 结论

(1)水压试验前，测区内虽有个别测点的残余应力值较大，但均在钢材最低屈服强度的85%以下，说明钢岔管的设计方案及施工工艺等参数的选取是科学合理的，钢板及焊接材料的选择是正确可行的。

(2)水压试验后，应力降低率除有两处属低残余应力测点为负值外，其余测点降低率均为正值，水压试验降低或均化残余应力效果明显；水压试验对残余应力具有消峰作用，尤其对最低屈服强度68%以上的残余应力峰值消除效果明显。

(3)钢岔管水压试验对环向焊缝的X向应力降低效果比较明显，对纵向焊缝的Y向应力降低效果比较明显。

(4)水压试验后，同一测区残余应力值比较均匀，分布较为合理，各测区残余应力值均在最低屈服强度的65%以下，符合设计要求。