蒲石河引水压力钢管爆炸法消除焊接残余应力

1 工程概况
蒲石河抽水蓄能电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，是我国东北地区在建的第一座大型纯抽水蓄能电站，总装机容量为1200MW，单机容量为300MW，共4台机组，设计年抽水用电量24.1亿千瓦时，年发电量18.6亿千瓦时。机组单机额定流量111m3/s（抽水流量为97m3/s），最大静水头394m。电站于2006年8月开工，计划于2010年底首台机组发电。
发电引水系统采用二洞四机的供水方式，由上水库进/出水口、引水隧洞上平段、引水隧洞斜洞段、引水隧洞下平段、引水高压岔管和压力钢管组成。压力钢管采用国产B610CF高强钢和Q345D低合金钢制造。
2 消应处理方法确定
诸多消应处理方法对水电站压力钢管较适用的有热处理消应、爆炸消应和振动时效消应等。本工程压力钢管采用国产B610CF高强钢和Q345D低合金钢制造。Q345D钢板消应处理，可采用较常规焊后热处理消应。B610CF钢板属高强钢，规范明确规定：高强钢不宜做焊后热处理消应，这是因为高强钢若做焊后热处理消应，温度控制不好，容易超过钢的调质回火温度或控轧终了温度，恶化其金相组织，从而恶化其性能；其次，由于其热处理温度不能像碳素钢和低合金钢那样高，形成“高强度+低温度”的局面，难于蠕变，故难于达到满意的消应效果。
对B610CF高强钢而言，有规范支持、可考虑的消应方法还有爆炸消应和振动时效消应，考虑到振动时效消应的噪声较大、对消应操作人员要求很高，且对屈强比大于0.75的钢种应慎用，故本工程压力钢管选用爆炸法消应处理。爆炸法消除焊接残余应力是用适当的炸药以适当的方式在焊接接头上引爆，利用爆炸冲击波的能量使残余应力峰值处发生塑性变形，从而达到消除和降低焊接残余应力的目的。
3 爆炸消应施工
3.1 爆炸消应施工工艺
1）在爆炸消应施工前，首先针对购买的炸药和现场采用的结构形式进行消除焊接残余应力工艺评定试验，以此研究制定出合理的爆炸消应施工工艺。
2）炸药：根据压力钢管不同的钢板材料和厚度，采用不同的药量。炸药爆速范围为6000～7000m/s，药条与钢板之间应事先布置防烧蚀缓冲垫。
3）药条布置工艺：布药原则为获得合适的消除应力效果，同时避免结构产生宏观变形。根据不同的板厚，每米焊缝最大用药量约140～180g，以焊缝为中心对称布置，焊缝的爆炸消应处理在内外表面分别进行。
4）炸药引爆方式：使用导爆管引爆炸药。雷管背对钢板并包在药条中，离开钢板的距离为10cm左右。
5）单次引爆的炸药用量：一次爆炸焊缝长度为1—4节管节，一次用药量最大不超过2kg。
6）在粘贴药条和防烧蚀垫前，清除焊缝附近的水渍、油污和灰尘等，保证炸药和衬垫贴紧钢板表面。爆炸后认真检查是否存在拒爆或被冲掉等情况。
3.2 爆炸消应效果检测与验证
1）焊接应力消除效果的验证以现场残余应力实测数据为准。爆炸消应后的平均剩余应力不超过材料实际屈服强度的50%。
2）检测范围：每条压力钢管爆炸消除应力前后，选取其中不同厚度的管节各一个进行应力测试，测量结果作为此条压力钢管爆炸处理的验收依据。应力检测工作均在钢管焊缝的内外表面进行，内外表面的测点数在爆炸前后均为2个。
3）检测方法和设备：采用无损的压痕应变法测量残余应力，以避免损伤构件表面，压痕直径约1.1mm，压痕深度0.2mm。
根据合同要求，本次爆炸法消除蒲石河压力钢管焊接残余应力完成了#3机和#4机压力钢管B610CF高强钢、厚度大于38mm的Q345D钢板管节上纵向焊缝的消除应力处理。残余应力测试结果见表1。
表1 #3机、#4机压力钢管残余应力测试结果（单位：MPa）
测点 #3机压力钢管 测点 #4机压力钢管
焊态 爆炸处理后 焊态 爆炸处理后
焊缝位置及类型 测点
编号 σx/σy σx/σy 焊缝位置及类型 测点
编号 σx/σy σx/σy
P4-19A
自动焊
（B610CF）
δ=58mm 里 A 675/634 267/209 P4-18A
自动焊
（B610CF）
δ=58mm 里 A 530/478 228/33
B 556/485 218/295 B 595/545 264/301
外 A 610/405 300/62 外 A 647/536 302/258
B 562/254 306/163 B 573/290 288/213
P7-3
自动焊
（B610CF）
δ=54mm 里 A 454/473 279/286 P7
自动焊
（B610CF）
δ=54mm 里 A 354/447 274/308
B 456/465 338/87 B 350/445 279/274
外 A 374/73 201/-47 外 A 洞内管，外侧无法操作
B 252/-29 184/-120 B
P9-2
自动焊
（B610CF）
δ=50mm 里 A 535/573 325/298 P8
手工焊
（B610CF）
δ=50mm 里 A 360/519 274/240
B 510/157 136/129 B 604/507 277/236
外 A 535/573 249/206 外 A 洞内管，外侧无法操作
B 593/604 297/264 B
P12-1
自动焊
（B610CF）
δ=46mm 里 A 309/469 243/256 P11-4
自动焊
（B610CF）
δ=46mm 里 A 398/360 60/-9
B -20/310 171/196 B 392/383 139/58
外 A 307/51 166/-33 外 A 449/161 184/-58
B 252/-57 -93/-192 B 462/138 -51/5
P17-1
自动焊
（Q345D）
δ=44mm 里 A 345/315 167/62 P16
手工焊
（Q345D）
δ=54mm 里 A 407/322 183/292
B 348/263 102/65 B 408/326 188/280
外 A 376/285 176/-17 外 A 425/387 159/156
B 350/221 217/169 B 421/370 197/203
P14
自动焊
（Q345D）
δ=54m 里 A 441/410 163/91 P15
自动焊
（Q345D）
δ=44m 里 A 415/288 219/144
B 423/393 140/111 B 470/432 120/192
外 A 351/123 76/-34 外 A 263/-53 -69/-85
B 328/41 150/58 B 368/180 210/127
3.3 主要结论
残余应力测试结果表明：
1）焊后原始应力一般在400～600Mpa之间，呈双轴拉伸状态。多数情况下，平行焊缝方向的应力要高于垂直焊缝方向的应力，结果符合一般焊接结构规律。
2）采用双面爆炸消应处理技术得到的平均消除应力效果按原始最大应力计算超过了60%，按材料实际屈服强度600Mpa考虑，消应效果也超过了50%。
3）总体来看，爆炸消应以后垂直焊缝方向的残余应力要低于平行焊缝方向的残余应力，两者的平均数值均低于300Mpa，这对于纵向焊缝的工作状态十分有利。
4）本次爆炸消应处理在保证效果的基础上，未对压力钢管结构造成宏观变形等破坏，表面存在的少量轻微烧伤不会影响钢管的安全使用。
4 结语
蒲石河抽水蓄能工程压力钢管采用国产B610CF高强钢和Q345D低合金钢制造，焊缝原始残余应力数值较高，达到或接近了材料的屈服强度，如不进行消应处理，将严重影响结构的安全运行。采用爆炸法消应处理，取得较好的消除残余应力效果，对于高强调质钢管，采用爆炸消应可有效地减少残余应力，并消减应力峰值。就B610CF钢板而言，用在水电站压力钢管上较少，缺乏类似的消应处理经验可以参考，本工程的成功使用，对其它类似工程起到较好的借鉴作用。

主要参考文献
[1] 陈亮山.爆炸消除残余应力机理研究[J].锅炉压力容器安全，1989（增刊）。
[2] 辽宁蒲石河抽水蓄能电站3-4＃压力钢管纵缝爆炸消应竣工报告，中国科学院金属研究所。