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采用爆炸法消除水电站钢岔管焊接残余应力

李庆生陈刚

(新疆水力发电设备安装公司)

提要

新疆托海水电站的钢岔管，公切球直径为8.12m,板厚32mm,总重达187t.施工中用爆炸法消除焊接残余应力获得成功，爆炸法消除焊接残余应力的机理是，利用爆炸时所产生的高能冲击波，使焊缝区产生塑性应变8,残余应力得到释放.与此同时还产生附加应变C.爆炸最终形成的应变为：8p=E,+C.爆炸所用的炸药为专用炸药，有良好的柔性，可方便地粘在构件上。爆炸作业一定要严格按工艺要求进行，否则将严重影响消应效果，爆炸处理后，用盲孔法测定残余应力，统计结果表明消应效果良好，由于作业现场离厂房很近，为确保厂房安全，作了冲击波及地振波二项试验，实验数据证明只要严格控制药量，对厂房及其设备是安全的，为其作业的安全性提供了可靠的依据，爆炸法具有消应效果好、不消耗能源、施工设施简单、工效高、变型小的优点，缺点是安全性差、施工干扰大、对薄弱的构件有破坏作用.该项新技术在满足一定条件的情况下有其独特的优点，特别是对大型构件消除焊接残余应力展现了广阔的前景。

用爆炸法消除接焊残余应力，是近几十年发展起来的新技术.特别是对消除大型焊接结构件的残余应力，具有独特的优点.中国科学院金属研究所对此进行了大量的基础研究工作，成功的解决了中厚板消除焊接残余应力的

一系列理论和技术问题，为消除焊接残余应力

必-4--10---心-心

开辟了一条新路。

在托海水电站钢岔管施工中，我们与中国科学院金属研究所和兵器工业部庆阳化工厂合作，采用爆炸法消除焊接残余应力取得了良好的效果，为在水电站建设中应用和推广这种方法做了一些工作，

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一、托海水电站钢岔管简况

新疆托海水电站，位于天山西部的伊犁河谷，是一座混合式电站，装有4台12,500kW的水轮发电机组，发电引水钢管直径为6.3m,钢管未端装有三个月牙型内加强肋岔管，将水流分成四股，经直径3.4m支管引入水轮机

岔管设计压力为0.98MPa,主岔公切球直径8.12m,板厚32mm;两个支岔公切球直径5.9m,板厚28mm;组合肋板厚82mm.岔管总重187t,全部采用16MnR钢材焊接而成焊缝总长约1000m.

引水总管

引水总管

φ6500

主岔

支盆

肋板

2号机3号机号机

1号机

图1托海水电站岔管布置

1986年从有关部门得悉“爆炸法消除焊接残余应力”的信息后，决定采用爆炸法消除焊接残余应力，该项工作由我公司与中国科学院金属研究所和庆阳化工厂合作进行.从1987年5月开始到1988年5月结束，历时一年.共处

理焊缝752m,测试数据表明消除应力效果良好，达到了预期的目的.

二、爆炸法消除焊接残余应力的机理

众所周知，焊接过程是一个局部加热和冷却的过程.在焊接时，焊缝处由于高温电弧的加热作用，熔池温度高达1500℃以上.在冷却过程中，焊接剧烈收缩，焊缝及热影响区产生弹性拉伸变型，从而产生焊接残余应力σa,其大小、方向用不同的焊接工艺和在焊缝的不同部位都是不相同的.一般将它分解成沿着焊缝方向的纵向应力σx和垂直于焊缝方向的横向应力oy来进行分析，详见图2(a).假设拉应力为正，则拘束焊缝(焊缝两端予先焊好，再施焊的焊缝)其σx和σy的分布分别见图2(b)、(c).

焊缝ay

(a)(b)(c)

图2焊缝应力分布

大量实测数据表明，在不少焊缝中该应力高达材料的屈服限(对于16Mn钢材可达350~

响，眼=--0-=哪--1

370MPa).这样大的焊接残余应力存在于结构中，其危害性很大，处理不当就会成为焊接结构件破坏的主要原因.因此，对重要的焊接结构件，规程明文规定要消除焊接残余应力，

消除残余应力，就是通过各种手段，将由残余应力引起的弹性变形转变为塑性变形，使残余应力得到释放.热处理是靠金属在高温下的蠕变来达到这个目的的.如果焊缝在冷却过程中残余应力o。产生的弹性应变为8,材料弹性模数为E,则；

(1)

只要温度足够高，保温时间足够长，由蠕变所产生的塑性应变8就会等于8,残余应力被全部释放，即

(2)

理论上讲只要满足该条件，就可将残余应