水电站引水不锈钢管消除焊接残余应力的几种方法,及所具有的优缺点,应用前景以及当前世界上对大型引水不锈钢管焊接残余应力处理的发展动态。

随着水电站的单机装机容量愈来愈大,引水不锈钢管的直径及其钢板的厚度也愈来愈超大型发展。在一般情况下,其不锈钢管的钢板厚度与其钢管直径及工作压力成正比。由于大直径大厚度的不锈钢管焊接后,其焊缝及其附近母材将产生较大焊接应力(简称焊接残余应力),而这些应力是形成各种焊接裂缝,造成结构破坏的重要因素之一。因此对一定厚度的不锈钢管要进行焊后热处理,以消除或降低焊接残余应力,提高安全运行的可靠性。故我国不锈钢管设计规范明确规定,凡符合下列条件之一者应在卷板及焊接后,做消除应力退火处理。

1)钢管厚度超过下列数值者:碳索结构钢Q235其厚度δ>42mm:低合金钢结构Q345其厚度>38mm16MnV16MnTiQ420其厚度δ>36mm.

2)冷加工成型管节厚度δ符合下列情况者:Q235钢或16MnD<33δ;16MnV~16MnTiD<40δ。

3)岔管等形状特殊的结构,除上述条件外,对于钢板抗拉强度超过600MPa的高强度钢,未做规定。

随着科技的发展,一大批新技术、新材料、新工艺的应用推广,水电站不锈钢管也逐渐采用了屈服强度高、抗冲击韧性良好的高强度钢材,因此不锈钢管在焊接成形后,在焊接残余应力的处理上总的趋向高强度调质钢采取预热、后热或消应退火工艺,相对简易。

1水电站引水不锈钢管的焊接残余应力的消应力处理

水电站引水不锈钢管焊接残余应力的消应处理的方法有三种:

采用打水压消除焊接残余应力法

用打水压的方法消除焊接残余应力,是一种比较理想的方法,这种方法在压力容器上应用的比较普遍。在水电站水轮机蜗壳上也在采用。但是对于大型水电站的引水不锈钢管系统这种方法很少采用,主要原因是不锈钢管的重量加上水的重量,两者之和很大,支撑问题比较难以解决。此外水的压缩比很小,在庞大的钢管体积内要达到设计压力要消耗大量时间,效果也不理想。我们这里说不锈钢管上很少采用,并不是说不能采用。如美国70年代建成的大苦力电站三厂的700Mw机组的不锈钢管,就将整条不锈钢管分五段做水压试验,先从最下面一段做完水压试验后,浇上混凝上,然后继续往上分段做水压试验,最后一节安装完后进行整体水压试验。我国贵州白水河水电站的引水不锈钢管,也是分六段进行水压试验以消除焊接残余应力的。

采用加温法消除焊接残余应力

这是目前国内外传统的消应方法,从理论上讲这种方法可以消除部分焊接残余应力,但是它所需要加的温度很高,消耗能量很大,对调质钢而言,规定其加热温度一般只比回火温度低30C~50℃左右,相当于所加温度一般不大于500℃,否则材质变成脆性,就失去了调质钢的特点。其材料的强度与韧性,随着温度加高后,金相重结晶而降低。这个温度控制上很难掌握,尤其对于大型水电站的不锈钢管而言,更是如此,同时对于大型引水不锈钢管系统,如果采用整体加温,则炉子的体积将很大,尤其对于现场施工的不锈钢管,是无法采用这种方法的。如果采用局部加温消除应力,虽然加温装置比较简单,但是消应效果不佳。仅能削减一部分残余应力峰值。我国70年代末修建的白山水电站的引水不锈钢管,就是采用局部加温的方法消除焊接残余应力,结果于80年代就出现了问题。因此当前我国只有对于引水不锈钢管的特殊受力部件如球岔管等采用这种加温的方法消除其焊接残余应力。如渔子溪一级、二级水电站的肋岔管,就是在焊后做整体热处理,但效果并不理想。

采用爆破法或振动时效法消除焊接残余应力

振动时效法是利用共振原理,将激振器产生的周期性振动力,通过共振因子放大,从而使被振动的构件获得相应的振动能量,此能量相当于工件加热时效应的热能,驱使工件内的原子产生更大的振动,材料产生局部屈服,使扭曲的晶体内部错位和晶界产生微观滑移,引起微观塑性变形,导致残余应力在量值上的减小和整体应力在较低水平上的重新分布:在宏观上通过外加的交变应力与工件内的残余应力叠加,使工件在较大的残余应力峰值区产生局部削弱,从而引起应力松弛和残余应力在量值上的减低。

振动时效技术20世纪70年代从国外引进,经国内消化吸收,现在已在航空航天、车辆冶金、重型矿山机械等行业推广使用,而且还制定了相应的行业性指导技术文件和推荐标准,如HU/2229-93《振动时效主要技术参数及技术要求》,JB/T5926-91《振动时效工艺参数选择及技术要求标准》。这足以证明振动时效技术已基本成熟,达到了工业化推广的程度。但是它最大的缺点是:噪音大,劳动强度大,在大型水电站不锈钢管上施工困难等。因此这一技术除常应用于我国不锈钢管的岔管等复杂的受力构件上采用以外,其他不锈钢管上很少应用。

爆破法消除焊接残余应力是在构件焊接完成后,沿焊缝布置条形炸药引爆,这时焊接所产生的残余拉应力在爆炸时的压应力作用下消除或减小,以达到消除焊接残余应力的目的。

这种方法是中国科学院金属研究所依据上述原理经实验研究制定工艺。由沈阳炮兵学院承担爆破作业,在水电站引水不锈钢管上应用。现在我国新疆托海水电站引水不锈钢管的岔管、湖北隔河岩水电站及三峡水电站大型不锈钢管施工中都已采用。

使用这种方法比较经济,操作工艺较简单,但它是一门新涉入水电站不锈钢管消应处理的科学,在认识上尚有不同的意见,所以没有得到很好的推广应用。一是认为它对焊缝表面的应力,可能是消除了,但钢板深层的内部应力并没有消除,而且应力区在转移,它的消应是一种假像,另一认为这种方法是可行的,只要合理布置药量,消应效果是令人满意的。这个药量的决定是根据试验结果得出的,它与钢板的材质,钢板的厚度,焊接工艺以及爆破后对焊缝的残余应力测试效果后得出来的,因此它是科学的。它可使拉应力区变为压应力区,而且操作工艺简单,施工条件限制较少。但它最大的缺点是噪音大,振动更大。

上述两种技术是通过一种机械力的作用,因此它不会改变材料的机械性能,也不会引起任何材料的金相组织变化。但是它的噪音大,劳动强度大(前者)。振动也大(后者)因此在水电站引水不锈钢管上尚未得到很好的推广应用。

2水电站引水不锈钢管焊接残余应力处理的新动态

随着高水头、大直径的引水不锈钢管愈来愈多地应用,为保证不锈钢管工作的安全可靠性,如果还用上述三种方法进行消应处理,就有很多困难。一是劳动强度大,二是噪音大,三是操作工艺复杂。因此当代为解决这一复杂的技术问题,提出了新的研究课题。就是研制使用高强度钢材,并研究这些钢材在不锈钢管上的加工与焊接的施工工艺,因此目前西方工业国家较多地采用高强度钢材制作不锈钢管。60年代以后,不断推出抗压能力高、抗冲击、韧性好,易于加工的高强度钢(高强度调质钢)。它与普通碳素钢相比,虽然价格较高,焊接工艺要求较严;但钢管的厚度减薄.总的钢材与费用减少,可缩短安装工期。

对于60kg级调质钢从发生的脆性破坏来看.即使残余应力较大,仍远比其它的钢种安全。所以一般60kg级调质钢都不做消应处理,只需要通过射线检验,查明和消除在焊缝区内类似裂纹的缺陷即可。但焊前需要预热,焊后需要后热消氢处理,一般预热后热温度大约100~200℃左右,或者打水压消除焊接残余应力。对于70kg级或80kg级的高强度调质钢,即明确规定不做退火消应处理,而只需采用预热后热或其它有利于提高焊缝韧性的方法来代替退火。

3我国引水不锈钢管消应处理的情况

我国科技人员对于当今世界各国的科技发展动态,具有很高的敏锐性,予以特别关注。因此凡世界各国的先进技术我们都在学习,研究或创新。对于上述引水不锈钢管的消应处理方法,我们都尝试过。如:(1)热处理技术:白山水电站对不锈钢管进行局部热处理,渔子溪电站的岔管进行整体热处理效果都不理想。(2)打水压试验技术:尽管美国大古力水电站及我国白水河水电站的不锈钢管都在采用分段的方法做水压试验,但它毕竟施工难度大,劳动强度也大,没有很好推广。(3)振动时效法虽然这门科学发展比较成熟,但是噪音大劳动强度也大,目前我国多在不锈钢管的岔管上应用,在不锈钢管本身上尚没有应用。爆破法,尽管施工工艺比较简单,施工限制条件较少,但噪音大,振动也大,推广尚需时日。仅在湖北隔河岩水电站与三峡水电站的不锈钢管上应用。(4)对于采用高强度调质钢而言,它不需要进行消应处理,只需做预热后热,因此它将是今后引水不锈钢管施工的发展方向,目前我国大型水电站引水不锈钢管的施工,基本上都是应用这一技术。

4今后消应处理的发展方向

综上所述,引水不锈钢管无论采取热处理,打水压试验,振动时效或爆破,都不尽人意,费时费工,甚至在施工现场无法进行,因此,采用高强度钢制造大型引水不锈钢管必定是今后发展方向,它具有下列优点:一是它强度高,钢板可以减薄,对卷制、焊接、安装都很方便,同时可以缩短施工工期。它只需做焊前预热,焊后后热,且加热温度不高,甚至有些钢材只要环境温度大于0℃就可以不需要预热后热,大大简化了施工程序,给施工带来很大方便,但是,这种钢材费用较高,且施工工艺要求较严,因此需做经济比较,一般地说,由于钢材减薄,重量减小,且可缩短工期,结果总的费用还是合理的。据日本有关统计资料,采用590MPa高强度钢制造不锈钢管,比普通钢材可节省23%的材料费用,加上安装等其他费用,估计可节省30%左右,目前,水电站的不锈钢管,采用高强度钢的强度等级已达1000MPa.