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(shì)，采用廠壩間一段墊層鋼襯來(lái)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)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?jī)?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(cè)量系統(tǒng)和數(shù)字成像收縮非接觸測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量精度滿足巨型結(jié)構(gòu)變形測(cè)量的要求。對(duì)接接頭方式合攏縫焊接過(guò)程中各種應(yīng)力和變形的觀測(cè)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(lái)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)模谎芯堪l(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(zhǎng)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(duì)套管式接頭的橫向收縮影響很小，對(duì)對(duì)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(duì)接接頭的拘束應(yīng)力比套管式接頭大；對(duì)接接頭安裝間隙越大，軸向收縮越大；套管接頭安裝間隙對(duì)軸向收縮無(wú)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(cè)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(chǎng)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(guò)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)接、套管兩種接頭形式的疲勞性能差異，研究各種參數(shù)對(duì)疲勞性能的影響，分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果均證明：對(duì)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(duì)