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压力钢管冷加工残余应力及应力腐蚀研究

来源: 作者:吕明刚 时间:2016-12-06【字号:

一、概述

某输水水电站,设计输水钢管长度4660米,工作水头960米,是国内外较少见的超高水头水电站。整个输水钢管按山体坡向和坡度布置,埋深多为1~3米,局部外露,属浅埋式输水管道,按设计在管道转向处设钢筋混凝土镇墩,每12米设支墩。

压力钢管材质是Q370r,内径700mm,壁厚按设计分为8、10、12、14、16、18、20、22、24、26mm厚。钢管由工厂订制。轧制钢管的板材按设计尺寸定制,钢板宽度为钢管圆周长度,钢板长度11.6米;采用冷轧方式将钢板轧制成弧,自动埋弧焊焊接直缝成管。

二、存在的问题及规范要求

钢管制作完成并按设计要求喷砂除锈和防腐处理后,在2个月内运抵现场。钢管防腐层出现严重脱落的现象。

根据DL/T5017-2007《水电水利工程压力钢管制造安装及验收规范》,第4.1.8条4.当钢管内径和壁厚关系符合表4.1.8-2的规定时,瓦片允许冷卷,否则应热卷或冷卷后进行热处理;

表4.1.8-2瓦片允许冷卷的最小径厚比

本项目压力钢管材质屈服强度为390N/mm2, 内径D=700mm;根据规范要求,当压力钢管壁厚δ≥D/40=17.5mm时,应热卷或冷卷后进行热处理。本次钢管成形工艺采用冷弯轧制,按规范,当管壁厚度大于等于18mm时,须进行热处理。

三、压力钢管锈蚀情况调查及残余应力检测

1、钢管防腐方案

按设计要求,钢管均采用喷射(抛丸)方法进行表面处理;钢管内外壁防腐采用超厚浆型环氧沥青防锈底漆(厚度250μm)+超厚浆型环氧沥青防锈面漆(厚度250μm)。

2、钢管锈蚀情况

按规范,壁厚在8~16mm的压力钢管没有进行热处理就进行了防腐。当钢管运到现场后,在2个月后所有钢管就出现了不同程度的锈蚀,防腐涂层出现了大量脱落。见下图:

防腐层脱落的特点主要有,脱落面均出现在钢管内外壁表面,呈片状脱落;纵焊缝处的涂层脱落严重。

3、锈蚀原因分析

在充分调查工厂除锈及防腐作业条件及质量后,排除了防腐质量的原因。根据压力钢管的加工制作工艺,怀疑是残余应力造成腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同作用下产生裂纹的现象,在一定材料和介质的组合下发生。应力腐蚀所需的时间与残余应力大小有关,拉伸残余应力越大,应力腐蚀开裂的时间越短。[1]

3、残余应力检测原理

为合理解释钢管腐蚀的原因,对钢管进行了残余应力检测。检测采用盲孔法,它的原理是在平衡状态下的原始应力场上钻孔,以去除一部分具有应力的金属,而使圆孔附近部分金属内的应力得到松弛,钻孔破坏了原来的应力平衡状态而使应力重新分布,并呈现新的应力平衡,从而使圆孔附近的金属发生位移或应变,通过高灵敏度的应变仪,测量钻孔后的应变量,就可以计算原应力场的应力值。[2]

盲孔法直角应变花示意图

4、残余应力检测

压力钢管的加工工艺采用冷弯轧制成弧,接缝采用自动埋弧焊连结,纵焊缝长度11.6米,与钢管成形长度相等。检测方案确定为在外壁纵焊缝处和外壁表面分别进行检测。应变片安装如下图:

检测结果如下:

纵焊缝处残余应力检测结果

管壁外表面残余应力检测结果

结果分析得知,环向残余应力大于纵向残余应力,焊缝处的残余应力大于钢管外表面处的残余应力,残余应力均超出要求控制值的2~3倍。

四、压力钢管热处理

需要进行热处理的钢管长度11.6米,直径1750px;为防止钢管变形,须进行整体热处理。

1、热处理设备

采用箱式燃气炉,炉体尺寸为:12*2.5*3;是标准节能型周期式作业炉,炉门采用弹簧式压紧机构,自动密封台车和炉门,一体化连轨。  箱式燃气炉特点:

(1)、燃气炉炉温均匀,工件受热均匀;

(2)、燃气炉装载量大、生产率高 ;

(3)、燃烧系统有全套的点火,大、小火运行、检测、熄火报警,熄火切断和再点火功能,每个控制箱接口和仪表间温控仪连接,使整套系统全部做到自动控制;

(4)、炉内温度控制采用先进的智能数显温控仪,温控系统可对热处理生产工艺曲线进行自动计算、操作、显示、储存,实现全过程控制。

钢管热处理用箱式燃气炉

2、钢管炉内排放方案

由于管体过长,如果炉内各部位温度不均匀,或管体铺垫、排放不一致,极容易造成管体弯曲和变形。采取的排放方案是,将钢管平放在500高铸铁垫块上,使管体避免直接与火焰接触;垫块共9排,排距1.4米,防止钢管受热产生局部变形;竖向3层,每层管体之间放置75px垫块,使炉内气流能顺畅流动,防止局部气温不均匀。

炉内垫块排列情况

3、温控方案

钢管材质为Q370r,老标准是15MnNbR。根据相关热处理规定和标准,对于高强碳素钢的消应热处理温度应控制在600~650℃,且不应高于材料最终回火温度。从厂家以往的热处理经验看,温控方案拟采用:从常温经过8小时均匀升温到600℃,保持600℃恒温5小时,然后用24小时降温到100℃以下。

实际热处理过程是:

实际的热处理炉温控制曲线

4、热处理后检测

(1)、残余应力检测:热处理后,钢管表面残余应力检测结果:环向残余应力37.54N/mm2,纵向残余应力17.54N/mm2;比热处理前环向减少1.85倍,纵向减少3.25倍。符合了机械构件设计的残余应力要求。

钢管热处理后的表面残余应力

(2)、表面硬度检测:按布氏硬度检测方法对钢管表面进行硬度检查,表面布氏硬度结果:

钢管表面布氏硬度

结果表明,布氏硬度在155~165之间,查表得知钢材的抗拉强度为:530 N/mm2~560 N/mm2之间,热处理对钢材强度没有影响。

(3)、热处理后外形尺寸检查:通过对热处理前后钢管外形尺寸的检查,包括长度、直径、钢管顺直度、椭圆度、局部平整度均无任何变化。

五、压力钢管防腐结果调查

热处理后的压力钢管按设计要求进行除锈、防腐处理后,经过同等条件和时间运到现场,钢管无锈蚀现象。

六、后记

本文浅析了残余应力对钢材锈蚀的影响,并用试验和实例证明了消除残余应力的重要性,得出结论:控制金属构件的残余应力能有效避免短期快速锈蚀发生。

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