陳亞琴,李 建

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

通常情況下，壓力管道岔管在鋼管制造廠做完單體水壓試驗(yàn)后再整體運(yùn)輸就位安裝。坪頭水電站廠區(qū)岔管運(yùn)輸交通洞開挖揭示圍巖破碎，且噴錨支護(hù)后放置時(shí)間較長，掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，嚴(yán)重影響施工安全，故對(duì)交通洞增加了鋼筋混凝土襯護(hù)，而襯砌之后的斷面尺寸不能滿足岔管整體運(yùn)輸?shù)囊蟆＝?jīng)過權(quán)衡，最終實(shí)際采取瓦片運(yùn)輸、洞內(nèi)拼裝成型、岔支管整體洞內(nèi)水壓試驗(yàn)，很好地解決了試驗(yàn)場地選擇和運(yùn)輸通道凈空不足的矛盾。但需要重點(diǎn)關(guān)注和解決幾個(gè)問題。此外，筆者也探討了壓力管道鋼岔管水壓試驗(yàn)的利和弊。

2 坪頭水電站岔支管布置及設(shè)計(jì)

坪頭水電站壓力管道采用一管三機(jī)的布置型式，主管直徑4.4m，總長約667m，支管直徑2.3m，三條支管總長約98m，全部采用鋼板襯砌。

壓力管道主管末端設(shè)置兩個(gè)內(nèi)置式月牙肋岔管，設(shè)計(jì)壓力4.0MPa。1號(hào)岔管為不對(duì)稱“Y”形，分岔角60°，板厚36～38 mm，肋板厚76mm，主管內(nèi)徑4.4m，支管內(nèi)徑3.4m、2.3m；2號(hào)岔管為“卜”形，分岔角60°，板厚28～32mm，肋板厚64mm，主管內(nèi)徑3.4m，支管內(nèi)徑2.3m；岔管材料均為610MPa級(jí)高強(qiáng)鋼WDB620，岔管結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。

岔管末端分別設(shè)置1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)支管，其中1

圖1 岔管結(jié)構(gòu)布置(mm)

號(hào)、2號(hào)支管與2號(hào)岔管末端相接，長度分別為37m、30m；3號(hào)支管與1號(hào)岔管末端相接，長度為38m；均采用Q345R鋼。1號(hào)、2號(hào)岔管之間用直徑為3.4m的610MPa級(jí)高強(qiáng)鋼WDB620相接。需要參加試驗(yàn)的岔管主要為A、B、C三個(gè)基本錐和肋板焊接好的整體。1號(hào)岔管的凈尺寸為7.2m×6.4m×4.9m(長×寬×高)，2號(hào)岔管凈尺寸為4.9m×5.4m×4.1m(長×寬×高)。

3 水壓試驗(yàn)布置及準(zhǔn)備工作

水壓試驗(yàn)平面布置見圖2，包括2個(gè)岔管和3條支管。所有岔管、岔管之間連接段及支管的全部縱、環(huán)焊縫在試驗(yàn)前均需焊縫探傷檢查，全部合格后才能試驗(yàn)。

洞內(nèi)整體岔支管整體水壓試驗(yàn)需要重點(diǎn)關(guān)注和解決的問題有：(1)1號(hào)、2號(hào)岔管鞍形托架支撐的強(qiáng)度和剛度復(fù)核；(2)1號(hào)岔管主管及三個(gè)支管的悶頭設(shè)計(jì)；(3)實(shí)驗(yàn)用表的布置；(4)安全保障措施及應(yīng)急預(yù)案。

3.1 岔管支撐布置及設(shè)計(jì)

水壓試驗(yàn)包括1號(hào)、2號(hào)岔管和三條支管段,三條支管段已回填外包微膨脹混凝土與圍巖形成整體。兩岔管底部加裝鞍形托架支撐，鞍形托架與地面的預(yù)埋鋼板焊接，托架之間用槽鋼聯(lián)接形成整體以增加剛度。鞍型托架的布置見圖3。

圖2 水壓試驗(yàn)平面布置示意

圖3 鞍型托架的布置

支撐梁的復(fù)核計(jì)算按照簡支梁進(jìn)行計(jì)算，支撐槽鋼的復(fù)核計(jì)算按照軸心抗壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，支撐梁的剛度、強(qiáng)度滿足要求，支撐槽鋼的穩(wěn)定滿足要求。

3.2 悶頭布置及設(shè)計(jì)

1號(hào)岔管上游的主管及三個(gè)支管的末端各焊一個(gè)打壓過渡段，過渡段末端焊接悶頭，這樣可以減小悶頭的規(guī)模。在過渡段上焊接進(jìn)水管、排水管，進(jìn)氣管、排氣管和壓力表等。

(1)主管悶頭1個(gè)， 材質(zhì)Q345R，壁厚δ=50mm，D0=2 260mm，h=660mm，悶頭直邊量hz=50mm，已知最大試驗(yàn)壓力P=4.5MPa。

(2)支管悶頭3個(gè)，材質(zhì)Q345R，壁厚δ=30mm，D0=1 220mm，h=330mm，悶頭直邊量hz=50mm，已知最大試驗(yàn)壓力P=4.5MPa。

根據(jù)DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中明管表6.1.4.1，在管壁厚35<δ≤50時(shí)fs=280N/mm2，根據(jù)GB 150-1998《鋼制壓力容器》的第3.7條，對(duì)于焊接接頭系數(shù)n，當(dāng)單面焊對(duì)接接頭、若局部無損探傷時(shí)取n=0.8。

根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)—金屬結(jié)構(gòu)(二)》公式：

式中c——考慮鋼板的負(fù)偏差和加工成型時(shí)的減薄量等附加量。

計(jì)算得主管悶頭壁厚24 mm，實(shí)際壁厚50mm，滿足試驗(yàn)要求；支管悶頭壁厚15 mm，實(shí)際壁厚30mm，滿足試驗(yàn)要求。

3.3 試驗(yàn)用表布置

在3個(gè)支管末端悶頭過渡段的底部各安裝1個(gè)φ20的排水管和球閥，在1號(hào)支管悶頭過渡段的頂部安裝一塊壓力表，作為試驗(yàn)壓力的輔助觀察點(diǎn)。1號(hào)岔管上游端悶頭過渡段的底部安裝1個(gè)φ50的進(jìn)水排水管和球閥，腰部安裝試壓泵φ20進(jìn)水管和球閥，頂部安裝φ20排氣進(jìn)氣管和球閥和一塊壓力表，此壓力表作為試驗(yàn)壓力的主觀察點(diǎn)，排氣管在岔管內(nèi)一直延伸至1號(hào)、2號(hào)岔管的頂部，便于岔管內(nèi)的氣體盡可能地排出去。百分表主要布置在兩個(gè)岔管及其肋板上，用于測量水壓試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生的應(yīng)變值。另外，在3個(gè)支管回填混凝土的臨界面位置各增設(shè)兩個(gè)百分表，試驗(yàn)過程中由專人觀察該位置百分表的指針擺動(dòng)，如出現(xiàn)異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

3.4 安全保證措施及應(yīng)急預(yù)案

盡管作了充分準(zhǔn)備，但也不能完全排除試驗(yàn)過程中可能發(fā)生諸如電源突然消失、運(yùn)行設(shè)備發(fā)生短路、焊縫破裂、支撐垮塌等意外狀況。鑒于此，根據(jù)洞內(nèi)場地狹窄的特點(diǎn)，制定了詳細(xì)的安全保證措施及應(yīng)急預(yù)案：

(1)試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)所有參加水壓試驗(yàn)的人員進(jìn)行技術(shù)、安全交底，嚴(yán)格按照試驗(yàn)技術(shù)要求及試驗(yàn)程序執(zhí)行。壓力表和百分表安裝前應(yīng)送檢率定。

(2)在試驗(yàn)過程中，所有參加試驗(yàn)的人員必須服從現(xiàn)場試驗(yàn)領(lǐng)導(dǎo)小組的統(tǒng)一指揮，避免多人指揮導(dǎo)致誤操作。試驗(yàn)現(xiàn)場使用對(duì)講機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)絡(luò)。

(3)在試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置明確的警示牌，在下平洞施工支洞處用警示條進(jìn)行圍隔，禁止非相關(guān)人員進(jìn)入，保證試驗(yàn)現(xiàn)場不受干擾。洞內(nèi)光線較差，配置了充足照明，特別是對(duì)岔管的下部，在打壓過程中進(jìn)行仔細(xì)檢查。

(4)悶頭封焊前徹底清理管道內(nèi)設(shè)備、工器具、材料及其它雜物。悶頭與鋼管的連接焊縫按一類焊縫焊接、檢驗(yàn)。臨近充水結(jié)束時(shí)，徹底排出管道內(nèi)空

氣，避免加壓時(shí)壓力管道內(nèi)出現(xiàn)空氣腔導(dǎo)致壓力表指針顫動(dòng)。排氣管出水后，可以關(guān)閉排氣管閥門，靜置3～5min再開啟閥門，如此反復(fù)進(jìn)行排氣，直到管口再?zèng)]有空氣排出為止。

(5)充水后，在開始加壓前對(duì)壓力管道做徹底的檢查，包括管道本體、悶頭、進(jìn)水及排水管路、排氣管路、法蘭、閥門等。應(yīng)無滲水、無異常移位等其他異常情況。整個(gè)水壓試驗(yàn)過程對(duì)試驗(yàn)管道做全面的監(jiān)控，密切注意試驗(yàn)過程管道及附件的變化情況，如出現(xiàn)異常情況，立即終止加壓，進(jìn)行分析，確?？梢岳^續(xù)試驗(yàn)后，方可繼續(xù)加壓。

(6)試驗(yàn)過程中禁止任何人員正對(duì)悶頭、焊縫、排水管口、排氣管口(包括操作過程)，所有施工人員必須處在安全區(qū)域。加壓過程需緩慢進(jìn)行，并且密切監(jiān)控壓力變化。管道內(nèi)壓力較高，閥門操作需緩慢進(jìn)行，避免因操作過快而導(dǎo)致排水時(shí)的高壓水柱沖擊人員及其設(shè)備。緊急松散通道應(yīng)暢通無阻，便于人員迅速撤離到安全位置。

(7)為保證試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的精確度和試驗(yàn)安全，在試驗(yàn)場地禁止進(jìn)行有振動(dòng)的工作。電焊機(jī)、空壓機(jī)、敲擊、爆破作業(yè)等應(yīng)停止。

4 水壓試驗(yàn)程序

4.1 充 水

記錄當(dāng)天的氣溫、濕度等條件，開啟1號(hào)岔管前端悶頭過渡段頂部進(jìn)水管球閥向各岔支管內(nèi)充水，注水量控制在不大于20m3/h，至排氣閥溢水關(guān)閉充水閥，然后關(guān)閉排氣閥。全面檢查岔管的支撐結(jié)構(gòu)有無變形或位移等情況，若無異常情況則進(jìn)入下一步。

4.2 水壓試驗(yàn)

按照規(guī)范要求，水壓試驗(yàn)壓力值為設(shè)計(jì)壓力值的1.25倍，應(yīng)為5.0 MPa，但因?yàn)樵诙磧?nèi)進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)，廠區(qū)地質(zhì)條件較差，為了保證安全，試驗(yàn)壓力值采用4.5MPa，為設(shè)計(jì)壓力的1.125倍。試壓泵加壓按表1分段進(jìn)行。

通過試壓泵向岔管內(nèi)加壓，試壓泵加壓、減壓應(yīng)緩慢、均勻，壓力變化速率不得大于0.05MPa/min。在每次試壓泵加壓、減壓操作前應(yīng)記錄各監(jiān)測設(shè)備、壓力表、百分表讀數(shù)；全面檢查岔管、悶頭有無射水、漏水、滲水情況，并記錄；全面檢查岔管的支撐結(jié)構(gòu)有無變形或位移等異常情況，并記錄。當(dāng)試壓泵加壓達(dá)到最大壓力4.5MPa后，穩(wěn)壓60min，期間應(yīng)用0.5～1kg的小木錘在焊縫兩側(cè)各15～20cm處輕輕敲擊，并且每20min進(jìn)行一次觀測數(shù)據(jù)記錄。試驗(yàn)過程中，如果出現(xiàn)滲漏等異常情況，應(yīng)將管內(nèi)水壓緩慢降至自然狀態(tài)，且壓力變化速率不得大于0.05MPa/min，然后開啟排氣閥、排水閥，將岔管內(nèi)水體排空后進(jìn)行處理；如無異常情況可進(jìn)入下一步。

表1 水壓試驗(yàn)壓力變化過程

說明：上排為穩(wěn)壓時(shí)間，單位“min”；中排為水泵加壓壓力，單位“MPa”。

水壓試驗(yàn)全部完成后，確認(rèn)岔管安全即可進(jìn)行放水，結(jié)束試驗(yàn)。

5 結(jié)語及探討

坪頭水電站岔支管洞內(nèi)整體水壓試驗(yàn)方案前期工作準(zhǔn)備充分，安全保證措施及應(yīng)急預(yù)案合理可行，岔支管未出現(xiàn)異常狀況，試驗(yàn)過程中各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)均在允許范圍內(nèi)，證明岔管設(shè)計(jì)合理，施工質(zhì)量達(dá)到要求，可保證電站安全運(yùn)行。

坪頭水電站洞內(nèi)岔支管整體水壓試驗(yàn)很好地解決了試驗(yàn)場地選擇和運(yùn)輸通道凈空不足的矛盾。

另外，筆者在此想探討水壓試驗(yàn)的利和弊。

水壓試驗(yàn)的好處有：(1)水壓試驗(yàn)以超載內(nèi)壓暴露結(jié)構(gòu)缺陷、檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)整體安全度，為岔管的長期安全運(yùn)行提供可靠保證。(2)通過水壓試驗(yàn)可以削減焊接殘余應(yīng)力及不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力。(3)通過水壓試驗(yàn)，在緩慢加載條件下，缺陷尖端發(fā)生塑性變形，使缺陷尖端鈍化，卸載后產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

水壓試驗(yàn)的弊端是占一定的直線工期且會(huì)產(chǎn)生直接費(fèi)用、間接費(fèi)用。

可見，水壓試驗(yàn)的利和弊就是工程局部工期、局部費(fèi)用和鋼管安全的矛盾。目前，隨著鋼材性能改善，施工時(shí)焊接工藝改進(jìn)且焊縫完全通過射線檢查和超聲波檢查的“雙100%探傷”，水壓試驗(yàn)的功能是否可以放到引水系統(tǒng)試運(yùn)行時(shí)一并進(jìn)行呢？這需要設(shè)計(jì)人員、施工人員及鋼材制造等多專業(yè)人員作進(jìn)一步的探索和總結(jié)。

[1] 童保林,蘇衛(wèi)強(qiáng),張榮斌. 昭通高橋電站鋼岔管設(shè)計(jì)及水壓試驗(yàn)[J].云南水力發(fā)電，2004 (3).

[2] 肖兵，代川平.獅子坪水電站壓力鋼管岔管水壓試驗(yàn)[J].四川水力發(fā)電，2010，29(4).

[3] 伍鶴皋，汪艷青，蘇凱，徐孝剛.內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管水壓試驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，41(5).

[4] 《四川省涼山州美姑河坪頭水電站隧洞充水及首臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收設(shè)計(jì)報(bào)告》[R].成都：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院，2011.

[5] 國家電力公司西北勘測設(shè)計(jì)研究院，等. DL/T 5141-2001水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2001.