超声波消应法在大型岔管施工中的应用

GXF360 2017-11-09

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超声波消应法在大型岔管施工中的应用

马凌

（辽宁省水利厅信息中心，辽宁沈阳110003）

［摘要］本文论述的大型引水工程中,岔管单重达222.72 t,直径达到5.8 m，设计要求岔管焊缝消除应力大于95%，在施工中没有采取传统工艺，而采取了超声波消应法，在消应后采取压痕法检测，最终达到设计指标。

［关键词］大型岔管；焊缝消应；超声波消应法；压痕法

1 工程概况

某大型引水工程为一穿山工程，为DN3200PC⁃CP管与DN5800隧洞相结合工程，其中采用DN5800岔管连接，其断面如图1。DN5800岔管共计5个，5个岔管总重978.98 t，其中最重为222.72 t，直径达5.8 m。5个岔管主管、支管、短管、弯管、直管部分相同，仅U梁及腰梁规格不同，设计要求岔管焊缝消除应力大于95%。

图1 岔管整体示意图

2 焊接方法及质量要求

1）焊接方法：采用手工电焊条电弧焊或CO2气体保护焊进行焊接。

2）焊接质量要求：焊缝后热消氢工作完成24 h后对焊缝进行外观检查和探伤检测；岔管主管管壁的环缝、纵缝，加强构件的对接环缝，加强构件与管壁相接处的组合焊缝为一类焊缝；主管管壁纵缝环缝用100%超声波对焊缝进行探伤和5%的射线复验；腰梁、U梁、加强板的对接焊缝，腰梁、U梁、加强板与焊柱的对接焊缝，由于钢板厚度大，无法使用射线探伤，采用双面100%超声波进行检测和5%的磁粉复验；焊缝经检查发现外观质量不符合要求时，需返工，修磨并按工艺进行局部补焊，补焊的焊缝应并与原焊缝保持平滑过渡。

3 岔管的超声波消应法

岔管焊缝消应处理步骤为：焊前准备——组装和定位焊——焊缝焊前预热——焊后消氢热处理以——焊缝超声波时效仪进行时效处理。超声波时效仪型号为HLHT-20A。其具体操作步骤如下：

3.1 焊前准备

焊接前应检查焊接设备是否完好，焊接材料是否符合要求，焊接坡口是否有油污、积水及其它杂质，确定焊接方向和焊接顺序。

3.2 组装和定位焊

组装时应严格控制好尺寸，纵、环缝错边量应满足规范要求。为防止焊接裂纹和减小内应力，装配时要避免强行组装。

定位焊要求与正式焊缝相同，位置宜距离焊缝端部30 mm以上，长度在50 mm以上，间距100～400 mm，厚度不宜超过正式焊缝高度的1/2，最厚不超过8 mm。除单面焊焊缝和接头部位焊透的焊缝外，一类焊缝中不保留定位焊缝。

3.3 焊前预热

岔管管壁与U型梁的焊缝、岔管管壁与腰梁的焊缝、立柱与U型梁和腰梁的焊缝、U型梁对接焊缝、腰梁对接焊缝均采用履带式电加热器（单块尺寸为240 mm×900 mm、功率10 kW，加热时根据焊缝的长度设置加热器块数）进行焊前预热，预热温度为80～100℃。

加热范围以焊缝中心为准，每侧不小于板厚的3倍，且不小于150 mm。加热温度的控制采用LWK-240 kW数显温控箱控制，同时用ET950红外线测温仪实时监控。

施焊时选用低氢型CHE506（E5016）焊条，采用多层多道的焊接，打底焊接使用ϕ3.2焊条，焊接电流90～100 A，其余填充层使用ϕ4.0焊条，焊接电流130～150 A，层间温度控制在230℃以下，减小焊接热输入。

焊接时须将每道的熔渣、飞溅仔细清理干净，使用碳弧气刨清根时，需将根部的缺陷清除，然后用角磨机将刨槽焊道的渗碳层氧化物清理干净并修整刨槽形状，尽可能使刨槽焊道规整平直，焊接开始后需连续施焊直至焊缝焊接完成，中途不得停止。

3.4 焊后热处理

焊后进行后热消氢处理的目的是为了降低焊接内应力，后热消氢温度为250℃，需保温2 h；最大降温速度不大于50℃/h，最大升温速度不大于80℃/h。焊缝后热消氢处理，须完成焊缝的焊接工作，在温度未低于80℃前立即对焊缝外观进行检查，看是否存在未焊满、凹坑、咬边等缺陷，如有应立即进行修补，打磨，完成后应立即进行后热消氢处理，当温度达到250℃后，在加热区100 mm范围内使用20～50 mm的玻璃棉覆盖保温，保温温度利用LWK-240 kW数显温控箱控制，同时用ET950红外线测温仪实时监控。后热消氢温度时间曲线如图2所示。

3.5 无损检测

焊缝后热消氢工作后24 h后对焊缝进行无损探伤检测，须符合规范SL432-2008要求。主管管壁纵缝环缝用100%超声波对焊缝进行探伤和5%的射线复验。

3.6 焊缝的应力消除

图2 后热消氢温度时间曲线

岔管肋板及立柱的焊缝采用超声波时效仪进行时效处理。处理时，将电流调节在2 A左右，使冲击头垂直于待处理的焊缝部位做往复运动，使待处理部位表面受到均匀的冲击力，处理速度控制在30～40 m/h，确保时效处理效果，处理时仅需处理焊趾，每条焊缝的双侧均需处理，处理时根据板厚的情况调整相应的输出电流，见表1。处理完成的焊缝区表面应有均匀的超声波时效处理线。

表1 超声波时效处理电流选择

板厚/mm 5～20 20～35 35～50 50～60 65以上电流/A 1.0～1.5 1.2～1.7 1.5～2.0 1.8～2.3 2.2～2.5

岔管焊缝残余应力降低率符合JB/T10375规范要求，降低率大于30%。应力消除率K=（σ前-σ后）/σ前×100%，其中：σ前——为消应前焊缝残余应力；σ后——为消应后焊缝残余应力。

4 岔管应力测试

4.1 应力测试方法及原理

此项目采用了压痕法进行应力测试，设备型号为KJS-1型应力测试系统，应变计型号为BE120-2CA-B。

压痕应变法测量原理：利用压痕周围形成的弹塑性变形场信息来测量残余应力，寻找压痕外弹性区内的位移场随残余应力的变化规律。这种利用压痕外弹性区内的应变增量来求解原始残余应力的方法就是压痕应变法。通过记录压痕外弹性区应变增量的变化，获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力的大小。

压痕应变法广泛使用的一种无损残余应力测量方法，它的一条基本实验规律是相同尺寸的压痕在残余应力场中产生的应变增量与残余弹性应变成正比。

4.2 压痕应变法的测量步骤

1）被测构件表面准备。根据测构件表面实际状态来确定测量位置，然后进行表面粗磨、表面抛光，最后再进行表面手工打磨处理。

2）应变片粘贴。粘贴应变片时要注意让应变片两个相互垂直的应变栅分别与所测应力方向垂直或平行。在距离应变栅端1～2 mm处用刀片各划一刀，以切断应变片基片与压痕打击处的联系。

3）制造压痕和数据处理。应变片固化1～2 h后，将固定支座大致以应变片为中心放置在其上方，插入显微镜，将应变片上的压痕打击点与显微镜中心点调节至重合。拔出显微镜，将压痕打击装置插入底座中。按动压痕打击装置上的脱扣按钮，完成压痕制造。此时应变输出C1与C2值即为压痕后的应变量，按“应力”键，仪器内置程序进行残余应力计算，S1与S2即为对应C1和C2的应力值。

4.3 应力测试位置及测点

根据该项目的特征以及钢岔管的实际情况，选择典型部位进行应力测试，前提，同时满足压痕法的测试。测试部位设置于肋板与立柱的焊缝上、管壁与肋板的焊缝。在每个测试部位布置2个测点，原始应力测1个点，消应后测1个点。所有测点布置在管外。在岔管消应处理前、后各进行一次应力测试，每次测试结束后提交正式应力测试报告。