水電站巨型壓力鋼襯合攏縫接頭形式優(yōu)化及工藝研究.pdf

1、巨型水電站壓力管道取消伸縮節(jié)是壓力鋼襯設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，采用廠壩間一段墊層鋼襯來取代伸縮節(jié)，墊層鋼襯上、下游端分別置于大壩和廠房混凝土中并隨之變形。分析墊層鋼襯在大壩變形和焊接變形共同作用下的組合應(yīng)力，選擇合理的接頭形式，防止裂紋產(chǎn)生和蝸殼被拉動(dòng)，探求取消伸縮節(jié)后焊接對墊層鋼襯施工及運(yùn)行的影響，具有重要的理論價(jià)值和工程意義。本文在廣泛查閱國內(nèi)外科技文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分析了合攏縫接頭形式和施工工藝，對大壩在常規(guī)荷載和溫度荷載作用下的變形、大

2、壩變形和焊接變形對墊層鋼襯作用應(yīng)力、強(qiáng)拘束條件下高強(qiáng)鋼的抗裂性、拘束與錘擊復(fù)合控制焊接變形影響、墊層鋼襯合攏縫接頭形式五個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，包括大型結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究、理論建模與數(shù)值仿真。主要研究內(nèi)容如下：
　　 ⑴選用先進(jìn)器件研制了基于計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)三坐標(biāo)測量系統(tǒng)和數(shù)字成像收縮非接觸測量系統(tǒng)，其測量精度滿足巨型結(jié)構(gòu)變形測量的要求。對接接頭方式合攏縫焊接過程中各種應(yīng)力和變形的觀測表明：鋼襯軸向收縮由預(yù)熱膨脹造成的收縮和接頭橫

3、向收縮組成；鋼襯軸向收縮幾乎全部轉(zhuǎn)化為鋼襯和蝸殼進(jìn)水管的彈性變形，焊接帶來的負(fù)面影響為鋼襯軸向收縮太大，從而形成較大軸向拉應(yīng)力；墊層鋼襯受混凝土約束的情況下，合攏縫焊接拘束度不大。
　　 ⑵試驗(yàn)表明墊層鋼襯用材610F鋼裂紋敏感性較低，一般認(rèn)為在強(qiáng)約束、惡劣環(huán)境條件下提高預(yù)熱溫度是提高大厚度焊接結(jié)構(gòu)抗裂性的有效手段，但封閉結(jié)構(gòu)的合攏縫焊接時(shí)提高預(yù)熱溫度是不恰當(dāng)?shù)?；研究發(fā)現(xiàn)合攏焊時(shí)提高預(yù)熱溫度增加鋼襯軸向收縮；采用變拘束長度實(shí)驗(yàn)研

4、究表明在強(qiáng)拘束、低預(yù)熱溫度下錘擊可提高焊縫的抗裂性。錘擊使焊縫硬度有所提高，沖擊韌性下降，提高預(yù)熱溫度可改善錘擊后焊縫韌性和硬度。綜合接頭性能和鋼襯軸向收縮研究成果提出了合攏焊采用雙預(yù)熱溫度的設(shè)想。
　　 ⑶研究表明影響合攏縫軸向收縮的因素除工藝參數(shù)外，還與接頭形式、預(yù)熱溫度和接頭間隙有關(guān)。大型拘束框?qū)嶒?yàn)研究了合攏縫兩種接頭形式在錘擊與拘束條件下收縮變形和拘束應(yīng)力規(guī)律，錘擊和拘束對套管式接頭的橫向收縮影響很小，對對接接頭的橫向收

5、縮影響很大，拘束時(shí)錘擊比不錘擊更有效減少橫向收縮；對接接頭的拘束應(yīng)力比套管式接頭大；對接接頭安裝間隙越大，軸向收縮越大；套管接頭安裝間隙對軸向收縮無影響。探討拘束與錘擊復(fù)合作用減少大厚板橫向收縮機(jī)理，試驗(yàn)研究表明在多層多道焊接過程中減少橫向收縮變形需要較大的拘束應(yīng)力，錘擊既減少橫向收縮又降低焊接過程的拘束應(yīng)力。
　　 ⑷建立有限元模型計(jì)算拘束板和縫隙焊縫的拘束度，得到了結(jié)構(gòu)尺寸與拘束度的關(guān)系；研究表明采用拘束板和縫隙焊縫聯(lián)合拘束

6、方式既控制厚度方向的不均勻收縮變形，又有效控制橫向收縮變形量。改變邊界冷卻條件可改善鋼襯軸向收縮。預(yù)熱溫度越高，反變形時(shí)鋼襯和坡口的受力越大，降低預(yù)熱溫度和改善冷卻條件有利于改善焊接時(shí)坡口的應(yīng)力狀況。
　　 ⑸簡化巨型鋼襯，建立平截面?zhèn)鳠嵊邢拊Ｐ?，模擬厚板在拘束條件下多道焊時(shí)動(dòng)態(tài)應(yīng)力和殘余應(yīng)力大小及分布。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量的應(yīng)力基本一致，驗(yàn)證了非線性有限元數(shù)值模擬法研究焊接殘余應(yīng)力和拘束應(yīng)力的有效性。拘束條件下的應(yīng)力模擬結(jié)果表

7、明：拘束度越大拘束應(yīng)力越大，最后焊接橫向殘余應(yīng)力越大。預(yù)熱溫度越低，焊接殘余應(yīng)力越大，動(dòng)態(tài)應(yīng)力達(dá)到某一定值的時(shí)刻越早；模擬發(fā)現(xiàn)第一道橫向應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化為拉應(yīng)力不斷增加，直到最大值；而最后一道的橫向應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化為在較短時(shí)間升到最大值，然后略有下降。
　　 ⑹采用接觸力學(xué)理論分析錘擊力與彈塑性材料塑性應(yīng)變場的關(guān)系，建立圓柱和球頭型錘擊有限元模型，確定了錘擊參數(shù)與消除殘余應(yīng)力的關(guān)系。錘擊過程有限元模擬結(jié)果顯示：錘擊能量增加，產(chǎn)生的壓應(yīng)

8、力增加，錘擊接觸區(qū)的變形程度增加，消除殘余應(yīng)力的效果明顯；錘頭尺寸增加，消除應(yīng)力的有效范圍增加，但焊縫的殘余應(yīng)力降低幅值下降。焊縫應(yīng)力測試結(jié)果表明：逐層錘擊處理后接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力較好地被消除，并在焊縫表面及一定深度范圍內(nèi)構(gòu)成雙向壓應(yīng)力層。
　　 ⑺采用壩體、廠房及基礎(chǔ)巖石所組成的整體模型進(jìn)行三維有限元分析，計(jì)算在常規(guī)荷載和溫度荷載作用下廠壩間墊層鋼襯的位移，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)相對位移隨年時(shí)間的變化有周期性。采取子模型方式建立廠壩間墊

9、層鋼襯模型，計(jì)算墊層鋼襯在各種荷載組合下的應(yīng)力。研究表明合攏時(shí)機(jī)冬季要優(yōu)于夏季，對接接頭反變形加分段聯(lián)合拘束方案最大組合應(yīng)力最小。
　　 ⑻盡管套管接頭合攏焊縫橫向收縮小于對接接頭，但采用有限元計(jì)算表明，套管接頭應(yīng)力集中系數(shù)高達(dá)11，而對接應(yīng)力集中系數(shù)一般為2，用應(yīng)力集中系數(shù)可經(jīng)濟(jì)地研究對接、套管兩種接頭形式的疲勞性能差異，研究各種參數(shù)對疲勞性能的影響，分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均證明：對接方式的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于套管式接頭，且疲勞壽命對