磁弹性法在测试模型钢管和岔管焊接残余应力中的应用.doc

磁弹性法在测试模型钢管和岔管焊接残余应力中的应用孟庆奎1 王建华2 毋新房1 （1. 水利部水工金属结构质量检验测试中心 河南 郑州 450006;2. 北京国电水利电力工程有限公司 北京 100024） 摘 要：磁弹性法是一种快速、简便的表面残余应力无损测试技术。利用磁弹性法测试了西龙池抽水蓄能电站模型钢管和岔管的焊接残余应力，并对水压试验前后的残余应力进行了比较。关键词：磁弹性 钢管 岔管 水压试验 焊接 残余应力1. 前言：山西西龙池抽水蓄能电站位于山西省五台县境内。总装机容量为1200MW，安装4台单机容量为300MW的水泵水轮机组，电站额定水头为640m。上水库利用五台县白家庄镇西龙池村天然洼地开挖填筑而成，下水库建于五台县神西乡西河村北滹沱河左岸支沟上。地下厂房及水道系统布置在上下库之间的山体内。电站水道系统由上水库进/出水口、引水事故闸门井、高压管道、尾水隧洞、尾水闸门井、下水库进/出水口等组成。高压岔管采用内加强月牙肋钢岔管，岔管PD=3600m2左右，岔管采用790MPa级调质钢制造，壳体最大厚度为68mm，肋板厚150mm。考虑水压试验模型与原型尽可能接近，试验选在厂房上游的上层排水廊道桩号为厂左0+23.25m处，试验洞的方位角为NE35，与钢支管平行,长度约20m。为简化试验，节省试验费用，将钢管模型试验与岔管模型试验合并，模型钢管和岔管采用相同几何比例尺为1：2.5，适当延长模型岔管的主管，在主管设置观测断面对高压钢管进行试验测试。 结合本次水压试验，于2004年7月和9月分别对模型钢管及岔管进行了水压试验前后焊接残余应力的对比测试，主要目的是了解钢管和岔管焊接后的残余应力水平，以及水压试验降低焊接残余应力的效果。2. 测试方法及原理简介本次焊接残余应力的测试采用磁弹性法，测试所用仪器为芬兰STRESTECH公司生产的STRESSCAN500C型磁弹性残余应力测试仪。磁弹性法是近几年发展较快应用比较成熟的一种残余应力测试方法，具有无损、方便、快速、准确的特点。用磁弹性法测试残余应力是以巴克豪森效应为理论基础的。铁磁材料包含有许多小磁畴，每一个小磁畴都有一个特定的自发磁化方向，各磁畴之间以畴壁为界分开。在外加交变磁场作用的下，畴壁将发生不可逆移动，会在探测线圈中产生一系列电脉冲信号，这些信号是由德国物理学家巴克豪森于1919年发现的，所以被称为巴克豪森噪声BN（Barkhausen Noise）。当铁磁材料受低于屈服强度的应力作用时，将导致材料发生弹性变形。而铁磁材料在外加磁场的作用下也将发生晶格的弹性变形，即产生磁致伸缩效应。因为铁磁材料的磁致伸缩常数s0，当试样受拉伸应力的作用时，磁化强度的方向沿着拉应力方向，受压应力作用时磁化强度的方向垂直于压应力方向。这种关系可用图1示意与说明。图11中，Hp为矫顽力，H为外加磁场强度，B为磁感应强度，V为电压，t为时间。当受拉应力作用时，平行于拉应力方向的磁畴将增加；当受压应力作用时，平行于压应力方向的磁畴将会减少。研究表明当拉应力增加时，磁滞回线的斜率和噪声幅值增高，压应力增加时则磁滞回线的斜率和噪声幅值降低，因此可以用巴克豪森噪声的强度来反映材料内部的应力水平。 图1 不同应力状态下的磁滞回线研究表明2巴克豪森噪声强度（记作MP）除与构件的应力水平有关之外，还与材料的组织状态、硬度、晶粒度等因素有关。为了找出MP与应力的对应关系，事先进行标定是必须的，也就是用与被测构件材料和焊接工艺相同的试件，借助拉压标定装置，测得MP与应力的对应关系曲线作为标定曲线。实际测试时只测得构件的MP值，再与标定曲线比较，即可求得实际构件的残余应力。磁弹性法可测试材料表面0.2mm范围内的平均应力，仪器本身预设的测试深度为分别为0.02mm、0.07mm和0.2mm。3. 测试前的准备测试前选取与模型钢管、岔管相同的材料按照同样的焊接工艺制作标定试样（标定试样由模型岔管制作单位提供），试件材料为16MnR。由于焊接后焊缝区和母材区的组织不同，针对不同部位分别标定，确定巴克豪森噪声MP值与相应的应力之间的对应关系。标定结果如图2所示。现场测试的测点选择兼顾模型岔管焊缝、安装焊缝等。具体测区布置见图3示意。测试前用砂纸将测点处磨光并将焊缝余高磨平，为消除磨光加工产生的机械应力，对测点处进行了电解抛光。 图2 焊缝MP-关系标定曲线图3 测区布置示意图4. 测试结果与分析现场测试分两次进行，第一次残余应力测试在模型钢管及岔管制作安装完成后进行，第二次残余应力测试在第一阶段的明管状态水压试验完成之后进行，试验压力为5 MPa，分别经过2 MPa、3 MPa二次、4 MPa二次、5 MPa等6个加压循环。为便于对比，两次测试的位置和测点分布一致。表1统计汇总了每一测区的最大单向残余应力，x表示平行于焊缝轴线方向的应力，y 表示垂直于焊缝轴线方向的应力，水压试验后的焊接残余应力测试结果一并列出。各测区水压试验前的峰值残余应力在水压试验后的变化情况示于图4图5。 表1 钢管及岔管模型焊接残余应力单向峰值应力汇总测区编号应力方向单向残余应力峰值(MPa)峰值应力降低（%）%水压试验前水压试验后H1x31421531. 52y32320735. 91H2x31723824. 92y32924326. 14H3x13611316. 91y31322926. 84H4x22017022. 73y32122828. 97H5x15913316. 35y28421922. 89H6x32024124. 69y33525523. 88 图4 各测区水压试验前后平行于焊缝方向残余应力峰值变化图5 各测区水压试验前后垂直于焊缝方向残余应力峰值变化 由上述测试结果可知，模型钢管与岔管各焊缝的焊接残余应力单向峰值最大为335MPa，接近材料的屈服极限。经过明管状态水压试验之后，各测区焊接残余应力的峰值消除率分别达到16.3535.91%，使整个模型钢管和岔管的焊接残余应力分布状态趋于平缓，消除残余应力效果明显。5. 结语 采用磁弹性法可以做到快速、无损地测出模型钢管与岔管的焊接残余应力；因为在同一位置可以重复测试，便于比较经过不同工艺措施之后的残余应力变化情况。实测模型钢管和岔管的单向峰值焊接残余应力最大值为335MPa，经水压试验之后，不同测区残余应力降低的幅度分别达到16.3535.91%，有效地改善了残余应力的分布状态。参考文献1 李裕国，李 强，缪龙秀. 利用磁弹性法测量快运货车转向架焊接残余应力的试验研究. 北方交通大学学报，2000，Vol.24,No.4: pp15-19；2 Titto K. Use of Barkhausen Effect in Testing for Res