張 橋，岳 廷 文，金 勝

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦印度河干流上，四期擴(kuò)建工程是通過將現(xiàn)有的4號(hào)灌溉隧洞改為引水發(fā)電洞，擴(kuò)容1 410 MW(3×470 MW混流式水輪機(jī))機(jī)組，使現(xiàn)有電站的裝機(jī)容量3 478 MW增大到4 888 MW。

壓力鋼管布置在廠房上游側(cè),設(shè)計(jì)為明管，部分外包鋼筋混凝土、部分由細(xì)砂覆蓋，由一條直徑為13 m的主管經(jīng)4個(gè)岔管分岔為3條直徑為7.5 m的發(fā)電支管和2條直徑為8 m的泄洪支管，兩條泄洪支管末端均由圓管變?yōu)? m(寬)×7.65 m(高)的矩形管，其中一條泄洪支管在廠房安裝間底部再由1個(gè)卜形貼邊岔管分支出1條直徑為2.8 m、厚16 mm的泄水減壓管。鋼管總長(zhǎng)為792.3 m，所用鋼板主要厚度為22 mm、36 mm、48 mm、56 mm、60 mm等。

2 壓力鋼管的設(shè)計(jì)優(yōu)化

塔貝拉水電站四期擴(kuò)建壓力鋼管設(shè)計(jì)、采購及安裝均由承包商負(fù)責(zé)，業(yè)主及咨詢工程師提供單線布置圖，我公司技術(shù)人員根據(jù)單線布置圖進(jìn)行詳圖設(shè)計(jì)，經(jīng)工程師批準(zhǔn)后實(shí)施。招標(biāo)時(shí)，公司召開了專題會(huì)議，對(duì)招標(biāo)文件中壓力鋼管管壁設(shè)計(jì)厚度、加勁環(huán)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析計(jì)算。

2.1 加勁環(huán)的優(yōu)化

業(yè)主招標(biāo)時(shí)其加勁環(huán)為T形結(jié)構(gòu)形式：翼緣寬度為400 mm、板厚為45 mm；腹板高度為700 mm，板厚為20 mm。這種加勁環(huán)T形結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)極少采用，且T形結(jié)構(gòu)形式的焊縫條數(shù)和焊接量將會(huì)加大，從而出現(xiàn)焊接變形、焊接內(nèi)應(yīng)力和焊接缺陷的概率均會(huì)加大，對(duì)鋼管結(jié)構(gòu)質(zhì)量不利。鑒于該工程鋼管為回填鋼管,外水臨界壓力很小，故應(yīng)按明管設(shè)計(jì)計(jì)算。結(jié)合以往大多數(shù)工程設(shè)計(jì)的已有經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)由T形改為Ⅰ形加勁環(huán)型式，再根據(jù)加勁環(huán)抗外壓穩(wěn)定性計(jì)算并結(jié)合鋼板的屈服強(qiáng)度、加勁環(huán)的有效截面面積等參數(shù)，最終獲得工程師批復(fù)，將加勁環(huán)的重量大幅度減少。

2.2 鋼管管壁的優(yōu)化

由于世界鋼鐵冶煉技術(shù)和軋制技術(shù)的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。為此，ASCE79標(biāo)準(zhǔn)(The American Society of Civil Engineers，美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn))設(shè)計(jì)允許強(qiáng)度1993舊版本第3.5.3條“本設(shè)計(jì)允許強(qiáng)度等于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值除以3的安全系數(shù)”改為2012年新版本第3.5.3條“鋼管的基本允許應(yīng)力應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值除以2.4 或者屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值除以1.5 ，取二者的較小值”，即設(shè)計(jì)允許強(qiáng)度等于抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)下限值除以2.4的安全系數(shù)。由此得：(3-2.4)/3×100%=20%,即鋼管壁厚減薄了20%，鋼管壁重量同時(shí)亦減少了20%。

3 TOFD替代X射線探傷

在國(guó)外水電工程施工中，合同條款一般均采用FIDIC條款，施工標(biāo)準(zhǔn)采用ASME、ASCE、BS-EN、C.E.C.T等美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)比較早出版，與現(xiàn)階段的科學(xué)技術(shù)相比存在一定的滯后。塔貝拉水電站四期擴(kuò)建標(biāo)準(zhǔn)亦存在同樣的問題，施工合同要求按照此類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行鋼管的焊縫檢測(cè)，除進(jìn)行100%的UT探傷外，需要用射線對(duì)焊縫進(jìn)行5%～20%的抽檢。眾所周知，射線探傷對(duì)環(huán)保的要求較高，對(duì)操作人員有傷害，且因其安全操作工藝致使施工進(jìn)度在很大程度上受到制約，施工成本相對(duì)較高，在中國(guó)，近10 a內(nèi)已基本上由TOFD取代，為此，在項(xiàng)目策劃階段項(xiàng)目部就申請(qǐng)將射線探傷改為TOFD，并列舉了在工程中的技術(shù)運(yùn)用和其他水電站施工積累的經(jīng)驗(yàn)，并將工程師和業(yè)主邀請(qǐng)到國(guó)內(nèi)正在用TOFD檢測(cè)的項(xiàng)目進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀摩，重點(diǎn)講解TOFD的優(yōu)點(diǎn)和射線探傷的不足，經(jīng)過多次探討、比對(duì)和齊全的資料舉證后，最終，業(yè)主同意采用TOFD代替X射線對(duì)焊縫進(jìn)行抽檢。不言而喻，此次檢測(cè)設(shè)備的替換在保證質(zhì)量的前提下會(huì)節(jié)約成本、增加收益，而且工期會(huì)縮短、進(jìn)度目標(biāo)能確保。

4 采用石英砂替代鋼砂

塔貝拉項(xiàng)目壓力鋼管施工方案確定在制作現(xiàn)場(chǎng)做防腐，在慣用的防腐磨料方面，很多國(guó)際項(xiàng)目均采用鋼砂而較少采用石英砂，這主要是從環(huán)保角度出發(fā)。在巴基斯坦國(guó)，如果選用鋼砂，則需要從中國(guó)或第三國(guó)進(jìn)口，采購費(fèi)、關(guān)稅及海陸運(yùn)費(fèi)用成本高昂，而在巴基斯坦本國(guó)，石英砂則比較普遍，當(dāng)然，費(fèi)用方面也便宜很多。根據(jù)具體情況，項(xiàng)目部多次去函件以及面對(duì)面地和工程師溝通交流，最終，監(jiān)理工程師要求通過樣品試驗(yàn)證明：既要保證施工對(duì)環(huán)境無大的影響，又要保證打砂后的粗糙度滿足要求。在密閉的防腐車間內(nèi)嚴(yán)格控制工藝，用石英砂做出了防腐試驗(yàn)板，測(cè)定了其表面粗糙度、油漆的抗拉拔能力以及電火花等各項(xiàng)試驗(yàn)后，監(jiān)理工程師信心滿滿地同意我們采用石英砂代替慣例的鋼砂用于防腐噴砂磨料，既對(duì)環(huán)境無大的影響、保證了質(zhì)量，還節(jié)省了成本。

5 超大型岔管群水壓試驗(yàn)

該項(xiàng)目岔管群由4個(gè)超大型岔管組成，主管直徑為13 m，2條泄洪支管直徑為8 m，3條發(fā)電支管直徑為7.5 m。由于是超大型岔管群施工，在世界范圍內(nèi)均是第一次，沒有任何經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，只能夠依靠自身不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，最終完成了13 m直徑的岔管群1.5倍運(yùn)行壓力值的水壓試驗(yàn)。

5.1 合并為超大型岔管群進(jìn)行水壓試驗(yàn)

根據(jù)岔管分布的密集程度，4個(gè)超大型岔管布置在長(zhǎng)度只有82 m的管線上，鋼管中心線均在同一高程上(高程460.462 m)。合同明確要求需要進(jìn)行運(yùn)行壓力165 m水頭的1.5倍(即2.475 MPa)水壓試驗(yàn)，如果每個(gè)岔管各進(jìn)行一次水壓試驗(yàn)，占用項(xiàng)目的關(guān)鍵工期特別長(zhǎng)，而且在成本耗費(fèi)上也是巨大的。經(jīng)過前期策劃并報(bào)工程師批準(zhǔn)，將4個(gè)岔管合并為一體進(jìn)行水壓試驗(yàn)，同時(shí)檢驗(yàn)4個(gè)岔管的設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量，上下游共采用6個(gè)鋼悶頭進(jìn)行封閉，這樣實(shí)施，即有利于成本的節(jié)約，又保障了進(jìn)度。

5.2 由漸變管將主管13 m直徑變?yōu)? m直徑進(jìn)行封堵

岔管群上游主管直徑為13 m，如果采用13 m直徑的悶頭，在同樣的壓強(qiáng)下其受力為8 m直徑悶頭的2.6倍，對(duì)于悶頭強(qiáng)度要求是非常難以實(shí)現(xiàn)的。針對(duì)這種情況，技術(shù)人員經(jīng)過詳細(xì)計(jì)算和論證，采用長(zhǎng)度為5 m的錐管將13 m直徑漸變?yōu)? m的直徑，在錐管和13 m直徑鋼管連接處設(shè)計(jì)了一道加強(qiáng)環(huán)板，加強(qiáng)環(huán)板的材質(zhì)為610 MPa高強(qiáng)鋼，厚度δ=60 mm，高度為1 m，內(nèi)外各500 mm，主要用于抵抗拐角焊縫的抗撕裂能力，從而將大悶頭變成了小悶頭，與其余悶頭施工方法一致。

5.3 岔管群水壓試驗(yàn)的支撐采用永久混凝土支墩

超大型岔管的水壓試驗(yàn)需要保證岔管的自由度，通過計(jì)算得知，水壓試驗(yàn)時(shí)，岔管連帶水體的重量達(dá)到15 000 t，對(duì)于其底部支撐則是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。如果采用常規(guī)的鋼結(jié)構(gòu)支撐，則在穩(wěn)定性和強(qiáng)度方面面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)，安全風(fēng)險(xiǎn)極大；如果采用臨時(shí)混凝土支墩進(jìn)行支撐，后期混凝土拆除所占用的工期和耗費(fèi)的費(fèi)用也是無法面對(duì)的一個(gè)數(shù)字，經(jīng)過混凝土強(qiáng)度計(jì)算、多次的商討和工程師的溝通，最終決定采用永久混凝土澆筑成圓弧形支墩，支墩的軸向厚度和管節(jié)的長(zhǎng)度相匹配且避開了加勁環(huán)包裹在混凝土中，將鋼管的環(huán)縫暴露在混凝土之外，支墩總數(shù)達(dá)到34個(gè)，最小支墩厚度為500 mm，弦長(zhǎng)為6 m，平均分布在整個(gè)岔管群底部，這樣實(shí)施既保證了岔管水壓試驗(yàn)中的安全支撐、整體處于自由狀態(tài)、方便水壓試驗(yàn)中的焊縫檢測(cè)，又能夠在水壓試驗(yàn)結(jié)束后立即進(jìn)行后續(xù)混凝土的施工。

5.4 岔管群水壓試驗(yàn)采用聲發(fā)射監(jiān)控及應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)

岔管群在水壓試驗(yàn)過程中，為監(jiān)測(cè)焊縫受力情況，確保其安全可控，采用聲發(fā)射監(jiān)控以及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。對(duì)于如此龐然大物進(jìn)行水壓試驗(yàn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵部位均需進(jìn)行監(jiān)控。由于岔管現(xiàn)場(chǎng)焊接量大，為監(jiān)控焊縫的受力情況以及岔管水壓試驗(yàn)中膨脹位移的數(shù)據(jù)，聲發(fā)射監(jiān)控以及應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)均能夠做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)采擷，經(jīng)過數(shù)據(jù)的收集和整理，可以分析出岔管水壓試驗(yàn)中各個(gè)受力點(diǎn)的受力情況以及對(duì)薄弱部位的重點(diǎn)監(jiān)控，以免出現(xiàn)大的質(zhì)量安全事故。

6 結(jié) 語

塔貝拉水電站壓力鋼管已成功實(shí)施完畢，筆者重點(diǎn)列舉了幾項(xiàng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施過程中的優(yōu)化事項(xiàng)，既取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，又取得了一定的社會(huì)效益，同時(shí)為下一個(gè)相類似項(xiàng)目的實(shí)施推出了強(qiáng)有力的施工業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。