張育林 周 林

中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016

前言

隨著材料工業(yè)的不斷發(fā)展，水電站為節(jié)約投資，越來越多的采用集中供水或分組供水，岔管的使用越來越廣泛，并且所設(shè)計的HD值也越來越大。超大型岔管制造的配料、成型、組裝、焊接、消應(yīng)、壓水試驗等工藝條件及加工設(shè)備的受限等原因，國內(nèi)多數(shù)超大型岔管中心體，一般采用整體進口或由專業(yè)的設(shè)備制造公司制造。岔管的中心體在工廠進行水壓試驗，其它管節(jié)在現(xiàn)場進行組焊，不參加水壓試驗。

本工程距中心城市遠，對外交通道路條件差，岔管整體加工試驗后運輸至工地安裝的可能性較小。考慮技術(shù)的可能性、經(jīng)濟的合理性、工程工期的要求等諸多因素，為解決整體運輸岔管的難題，根據(jù)工地現(xiàn)場場地、起吊設(shè)備、運輸?shù)缆返臈l件，擬定在安裝原位進行岔管的組裝、焊接和水壓試驗等工作。在原位水壓試驗中，用百分表監(jiān)測岔管變形的方法，計算岔管的內(nèi)應(yīng)力，方法簡單可行。本工程現(xiàn)場原位水壓試驗在高強鋼超大型岔管的水壓試驗方面，具有一定的代表性，值得研究和總結(jié)，供類似工程借鑒。

1 工程概況

泗南江水電站位于云南省思茅地區(qū)墨江哈尼族自治縣那哈鄉(xiāng)、壩溜鄉(xiāng)和泗南江鄉(xiāng)境內(nèi)。電站以發(fā)電為主，采用跨流域、混合式開發(fā)，總裝機201MW。調(diào)壓室后的壓力管道為埋藏式鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，圓形斷面，采用“一管三機”集中供水方式。

主管直徑Φ4000mm，長928.428m。支管直徑Φ2000mm，總長49.935m。主、支岔管的結(jié)構(gòu)型式均采用月牙岔管。主岔管的公切球直徑Φ4488mm，設(shè)計水頭420m，HD值1885mm，重37.95噸。月牙肋板厚δ100mm，管壁厚50mm，材料采用WHT590高強鋼。岔管安裝試驗悶頭后結(jié)構(gòu)如圖1所示。岔管特性如表1所示。

圖1 岔管水壓試驗測點布置圖

2 試驗?zāi)康呐c要求

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

本工程壓力鋼管采用的WHT590高強鋼板首次應(yīng)用于高水頭壓力管道岔管，按照設(shè)計及規(guī)范要求，進行岔管原型水壓試驗，目的是：①以超載內(nèi)壓暴露結(jié)構(gòu)缺陷，檢查結(jié)構(gòu)整體安全度；②緩慢加載條件下，缺陷尖端發(fā)生塑性變形，使缺陷尖部鈍化，卸載后產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力；③焊接殘余應(yīng)力和不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力，水壓試驗時可能達到屈服，退壓后得以削減。④了解岔管各部位，特別是一些重要部位的應(yīng)力分布及變形情況，為電站壓力管道的安全運行提供有力保證。⑤通過水壓試驗過程中整體變形情況，計算岔管在過載情況下的內(nèi)應(yīng)力，從而知道岔管的安全余量。

2.2 試驗內(nèi)容及要求

按表2中的數(shù)值，緩慢對岔管進行加壓。每達到一個壓力值后，檢查岔管有無異常情況，記錄壓力值和岔管變形值。

表2 分階段加壓值

根據(jù)岔管在不同荷載情況下的變形，計算岔管的內(nèi)應(yīng)力值，掌握超載125%狀況下岔管內(nèi)應(yīng)力的大小、超載運行工況下的安全余度。

水壓卸壓后對焊接殘余應(yīng)力的峰值得以削減。

水壓試驗過程必須做到：①試驗數(shù)據(jù)記錄齊全、真實、準(zhǔn)確、規(guī)范；②在試驗水頭下保壓5～10分鐘，壓力穩(wěn)定；③在設(shè)計水頭下保壓30分鐘，壓力穩(wěn)定，對應(yīng)變測量完整。

3 試驗工藝及流程

3.1 試驗方案

主岔管與支岔管連接成整體進行水壓試驗。充水前安裝好悶頭，充水、排氣、加壓管路，加壓泵，應(yīng)變測量儀器，除支墩外，解除岔管的所有約束。如圖1和圖2。

圖2 岔管加壓前

3.2 悶頭及錐管

3.2.1 悶頭：

已有 4個半圓球形悶頭，Φ2430mm，壁厚δ＝60mm，材質(zhì)SM570TQT。主管直徑D0=4046mm；試驗壓力P=5.25MPa；fs取380MPa；按GB150-1998《鋼制壓力容器》部分無損檢測的單面焊焊接接頭系數(shù)n=0.8，進行主管悶頭的強度校核：

式中：

h—悶頭直邊量；

c—考慮鋼板的負偏差和加工成型時的減薄量等形成的附加量。

經(jīng)計算，主管悶頭的壁厚δ≥36mm即可，滿足要求。支管悶頭的壁厚比主管小，采用相同悶頭滿足要求。

3.2.2 連接錐管：

悶頭與主管之間用錐管連接、與支管之間用倒錐管連接。按DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》漸縮管的規(guī)定，按主管等強度設(shè)計，利用加工岔管的余料及邊角料加而成。

表1 岔管特性表

3.3 應(yīng)變測點布置和測量

①應(yīng)變測點重點放在折角區(qū)、岔管管殼區(qū)、月牙肋板、主支管軸線、主管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面等，測點成對布置，以便準(zhǔn)確測出水壓試驗過程中的應(yīng)變量，避免將岔管試驗過程中的位移誤作岔管的變形。如圖1所示。

②確保百分表與岔管間完全分離，同時要保證百分表的量程足夠。

③百分表的布置必須合理、充分。必要時在同一個測點布置基礎(chǔ)分離的備用（校正）表，進行相互校正。

④應(yīng)變用百分表測量，目視讀值。

⑤針對本工程的具體結(jié)構(gòu)，提前應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線，讀出百分表的應(yīng)變值，便可立即查出應(yīng)力值。

3.4 水壓試驗步驟

①向岔管內(nèi)充水至岔管內(nèi)的水從排氣管溢出，充水結(jié)束；②用加壓泵向岔管加壓至P1壓力時，穩(wěn)壓10分鐘、檢查；③無異常情況下，按此循環(huán)加壓至P3壓力值，保壓30分鐘，對岔管全面檢查，用05kg～1.0kg木錘或小鐵錘在焊縫兩側(cè)15mm～20mm處輕輕敲擊，檢查焊縫有無滲水及其它異常情況，測量記錄應(yīng)變值；④仍無異常時，繼續(xù)加壓至P4值，保壓5～10分鐘，再卸壓至P3壓力值，保壓30分鐘，再次對岔管全面檢查，測量記錄應(yīng)變值；⑤對岔管進行徹底卸壓，試驗結(jié)束，整理試驗數(shù)據(jù)、資料，分析成果，報告結(jié)論。

4 水壓試驗成果及分析

4.1 測量成果

在水壓試驗的升壓、卸壓過程中，未發(fā)現(xiàn)任何異常情況。升至最大壓力值及卸壓后各測點各百分表讀取的量值如表3所示。各組測點間的應(yīng)變量如表4所示。

表4 各組測點間的應(yīng)變量（mm）

4.2 應(yīng)力性質(zhì)分析

從表4可以看出，測點1/6、1/7、1/8、1/9、4/5各組測點間測得的應(yīng)變?yōu)檎?，說明在岔管加壓過程中，所受力為拉應(yīng)力。月牙肋頂、底（2#、3#）之間應(yīng)變?yōu)樨撝?，說明在加壓的過程中受力為壓應(yīng)力。

4.3 局部應(yīng)力峰值削減

岔管卸壓后，各組測點均有殘留變形，說明產(chǎn)生了一定的永久變形，但該變形量均很小，對結(jié)構(gòu)沒有大的影響。同時，也證明對結(jié)構(gòu)的局部峰值應(yīng)力起到了削減作用。

4.4 最大應(yīng)力計算

從圖1和表4中可以看出，單位長度內(nèi)應(yīng)變最大值出現(xiàn)在“4/5”測點間。WHT590鋼的彈性模量E=2×105MPa。根據(jù)胡克定律:

在水壓力加至最大時，“4/5”測點間最大內(nèi)應(yīng)力：

同理，計算得知其它各組測點間的應(yīng)力均小于300 MPa。因材料的屈服極限σs≥490MPa，所以：可計算出岔管安全系數(shù)k：

結(jié)構(gòu)安全。

4.5 應(yīng)力測量方法的分析比較

在岔管水壓試驗的應(yīng)力測試中，最常用的方法是帖應(yīng)變片測量其內(nèi)應(yīng)力，其最大的優(yōu)點是加載過程中可方便的監(jiān)測應(yīng)力變化情況，如果應(yīng)力超標(biāo)，可以隨時發(fā)出警報。其不足也非常明顯：需要非常專業(yè)的設(shè)備與人員，設(shè)備安裝較難，成本較高，且所測應(yīng)力是表面和局部的應(yīng)力，測得的岔管內(nèi)應(yīng)力情況不全面。

用百分表以測量岔管變形的方法，計算岔管的內(nèi)應(yīng)力，只要表的數(shù)量及布置合理，其量值準(zhǔn)確，能全面反映岔管的內(nèi)應(yīng)力情況，而非表面應(yīng)力。且無需專業(yè)人員與設(shè)備，儀器也易于安裝，成本低廉。缺點是難以進行升壓過程中應(yīng)力變化的動態(tài)監(jiān)測，讀取應(yīng)變值后需經(jīng)查表（圖）或計算才能知道應(yīng)力變化情況。

5 結(jié)語

在岔管的水壓試驗及應(yīng)變觀測過程中，未出現(xiàn)任何異常情況。主岔管肋板承受75MPa的壓受力，應(yīng)力值較小，其余各部位均受拉應(yīng)力。岔管各部位實際所受應(yīng)力值，均小于材料的許用應(yīng)力，能保證結(jié)構(gòu)的安全運行。工程自2009年投產(chǎn)安全運行至今，也證明了岔管的安全可靠，此次水壓試驗對岔管安全性的驗證是成功的。以測量岔管變形量的方法間接測量內(nèi)應(yīng)力的方法簡單可行，經(jīng)濟實用，可供借鑒。

表3 各測點卸壓前后百分表讀取的量值（mm）

[1]張金斌,謝麗華,成莉.超高水頭水電站岔管布置及水壓試驗[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2012（3），P31-33

[2]陳亞琴,李建.坪頭水電站岔支管整體洞內(nèi)水壓試驗[J].水電站設(shè)計,2012（2）P51-54