陳尚林，喻 冉

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建省仙游縣 351267；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿族自治縣 068350）

0 引言

河北豐寧抽水蓄能電站額定水頭425m，引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)的布置方式，每條高壓主管長(zhǎng)約1000m，高壓支管長(zhǎng)約50m，安裝780MPa級(jí)鋼岔管，鋼岔管承擔(dān)著樞紐分流作用。

鋼岔管是由多塊高強(qiáng)鋼板經(jīng)卷壓切割成型后在工廠進(jìn)行預(yù)組裝，驗(yàn)收合格后拆解為多個(gè)運(yùn)輸單元發(fā)至工地現(xiàn)場(chǎng)，完成拼組、焊接、悶頭掛焊后進(jìn)行鋼岔管水壓試驗(yàn)。

1 鋼岔管水壓試驗(yàn)的必要性

豐寧鋼岔管采用材料為B780CF，總重66.6t，為對(duì)稱Y形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管，分岔角為74°，主錐管進(jìn)口內(nèi)直徑4800mm，支錐管出口內(nèi)直徑3400mm，最大共切球半徑2760mm，主錐管、支錐管壁厚70mm，月牙肋厚126mm。豐寧鋼岔管體形見圖1。

1.1 組焊過程產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力

鋼岔管殼體為卷壓成型，拘束度大。鋼岔管所有瓦片經(jīng)過下料、切割、卷壓合格后，進(jìn)行工廠預(yù)組裝，對(duì)全部瓦片反復(fù)校形和固定，然后拆解運(yùn)輸至工地，再重新進(jìn)行拼組，再次對(duì)瓦片進(jìn)行修正和加固，兩次拼組過程加劇了瓦片的拘束度。

鋼岔管焊縫密集分布，包括12條工廠焊縫和15條工地焊縫，焊縫全面包絡(luò)整個(gè)鋼岔管，手工焊、氣保焊均有應(yīng)用，平焊、立焊、仰焊同時(shí)存在，焊接難度大，熱輸入控制難度大，焊接殘余應(yīng)力較大。焊接工藝確定后，焊接速度是鋼岔管焊接質(zhì)量的控制要點(diǎn)，焊接熱輸入的控制極為重要，如焊接速度過快則不足以使焊接結(jié)合，如焊接速度過慢則會(huì)降低熱影響區(qū)的沖擊韌性。

1.2 焊接殘余應(yīng)力的危害和消應(yīng)

焊接殘余應(yīng)力會(huì)降低鋼岔管抗脆斷性和抗腐蝕能力，嚴(yán)重影響設(shè)備質(zhì)量[1]。若高殘余應(yīng)力區(qū)存在焊接缺陷，會(huì)降低該處?kù)o載強(qiáng)度，在往復(fù)水流的沖擊下，則會(huì)加劇應(yīng)力集中處的金屬疲勞，可能導(dǎo)致焊縫應(yīng)力腐蝕開裂，也可能使焊件局部屈服或失穩(wěn)，進(jìn)而影響鋼岔管的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性。

通過水壓試驗(yàn)，可以使焊接殘余應(yīng)力重新分布，并消除鋼岔管的尖端應(yīng)力及施工附加變形，達(dá)到對(duì)鋼岔管的局部削峰消應(yīng)，從而提高鋼岔管整體抗脆斷和抗應(yīng)力腐蝕能力，保證鋼岔管安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。岔管殘余應(yīng)力測(cè)試位置布點(diǎn)見圖2。

2 鋼岔管水壓試驗(yàn)

鋼岔管水壓試驗(yàn)是對(duì)打壓過程中應(yīng)力、位移、進(jìn)水量及內(nèi)水溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且需在水壓試驗(yàn)前后對(duì)鋼岔管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。如果實(shí)測(cè)應(yīng)力—壓力、進(jìn)水量—壓力曲線呈良好線性關(guān)系，則說明在水壓試驗(yàn)過程中，鋼岔管處于彈性變形狀態(tài)，同時(shí)未發(fā)生滲漏和焊縫開裂。

2.1 水壓試驗(yàn)的前提條件

鋼岔管整體焊接完成后，需對(duì)主要尺寸和焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查，并對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行處理。將預(yù)制的悶頭和鋼岔管進(jìn)出水口焊接，形成密閉空間，并安裝沖排水系統(tǒng)和打壓系統(tǒng)，且無損檢測(cè)合格。鋼岔管平臥放置于數(shù)個(gè)鞍形支架上，鞍形支座與鋼岔管之間墊有聚四氟乙烯板，以保證水壓試驗(yàn)時(shí)鋼岔管能自由位移。鋼岔管水壓試驗(yàn)要求環(huán)境溫度不低于10℃，水溫不低于5℃。水壓試驗(yàn)前后，需對(duì)鋼岔管焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，以驗(yàn)證水壓試驗(yàn)消除殘余應(yīng)力的水平[2]。

圖1 豐寧鋼岔管體形圖Figure 1 Shape of Fengning steel bifurcated pipe

圖2 岔管殘余應(yīng)力測(cè)試位置布點(diǎn)圖Figure 2 Distribution of test points for residual stress of bifurcated pipe

2.2 鋼岔管水壓試驗(yàn)壓力確定

根據(jù)鋼岔管整體形狀和瓦片的特點(diǎn)，鋼岔管管壁不同區(qū)域所受應(yīng)力不同，有整體膜應(yīng)力區(qū)、局部膜應(yīng)力區(qū)和局部膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力區(qū)，根據(jù)鋼岔管鋼材的力學(xué)屈服極限和強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可計(jì)算出各應(yīng)力區(qū)及肋板在明管水壓試驗(yàn)狀態(tài)的抗力限值[3]。

豐寧抽水蓄能電站一期鋼岔管設(shè)計(jì)壓力為7.47MPa，通過對(duì)鋼岔管建立力學(xué)模型，根據(jù)鋼岔管焊縫排布、悶頭設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐實(shí)際支撐情況以及充滿水的總重對(duì)鋼岔管水壓試驗(yàn)進(jìn)行模擬計(jì)算分析，模擬出在不同打壓壓力下各主要特征點(diǎn)的應(yīng)力變化，使各主要特征點(diǎn)的所有應(yīng)力值不超過抗力限值，進(jìn)而推算出最高打壓壓力為6.9MPa，同時(shí)模擬推算出水壓試驗(yàn)過程中鋼岔管位移變形和進(jìn)水量規(guī)律[4]。

2.3 鋼岔管水壓試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)

鋼岔管水壓試驗(yàn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，往往分為預(yù)打壓和兩次正式打壓進(jìn)行，試驗(yàn)過程需對(duì)各特征點(diǎn)的應(yīng)力、變形和進(jìn)水量等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，并將實(shí)際測(cè)試結(jié)果與模擬分析結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)進(jìn)水量和多個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力出現(xiàn)非線性的突變時(shí)，需立即分析并判斷試驗(yàn)?zāi)芊窭^續(xù)。如果出現(xiàn)任何一個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到其抗力限值，則應(yīng)立即停止升壓。

2.4 應(yīng)力測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

應(yīng)力測(cè)試的方法有壓痕法、盲孔法等，盲孔法需要對(duì)管壁鉆孔，對(duì)鋼岔管造成局部損壞，所以豐寧抽水蓄能電站采用壓痕法進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。

圖3 鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置圖Figure 3 Layout of stress measuring points for hydraulic test of steel bifurcated pipe

水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置位置應(yīng)與鋼岔管、悶頭強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告推算出的關(guān)鍵點(diǎn)一致[5]，由于鋼岔管結(jié)構(gòu)對(duì)稱，考慮到布置測(cè)點(diǎn)安裝方便，故應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置于左（右）下半部、月牙肋的下半部和左（右）腰線上（見圖3），變形測(cè)點(diǎn)布置于左右腰部、頂部、底部、進(jìn)水口悶頭和月牙肋腰線上（見圖4）。

由于鋼岔管不同位置的受力特點(diǎn)不同，故在不同的測(cè)點(diǎn)選用不同的應(yīng)變片，分為單向、雙向及三向應(yīng)變片。水壓試驗(yàn)過程中，鋼岔管月牙肋受彎曲應(yīng)力，沿張合方向變形，因此布置單向應(yīng)變片；腰線受環(huán)向應(yīng)力和軸向應(yīng)力，沿環(huán)向和軸向變形，因此布置雙向應(yīng)變片；在焊縫附近或遠(yuǎn)離腰線處受力為局部加彎曲應(yīng)力，變形無規(guī)律，因此布置三向應(yīng)變片。

豐寧抽水蓄能電站根據(jù)對(duì)鋼岔管受力分析，在內(nèi)外壁共布置2個(gè)單向應(yīng)變片、24個(gè)雙向應(yīng)變片和28個(gè)三向應(yīng)變片。其中在鋼岔管月牙肋腰線部位內(nèi)外布置P14、P15兩個(gè)單向應(yīng)變片；在鋼岔管左側(cè)腰線布置P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P13共8個(gè)雙向應(yīng)變片，在頂?shù)赘浇贾肞11、P12共2個(gè)雙向應(yīng)變片，在左側(cè)支岔腰線布置P24、P25共2個(gè)雙向應(yīng)變片；在鋼岔管左下部布置P7、P8、P9共3個(gè)雙向應(yīng)變片，在中心縱縫附近布置P16、P17、P18、P19共4個(gè)三向應(yīng)變片，在肋旁管殼布置P20、P21、P22、P23共4個(gè)三向應(yīng)變片，在主岔管右腰布置P26、P27、P28共3個(gè)雙向應(yīng)變片。以上所有布點(diǎn)管壁內(nèi)外均對(duì)應(yīng)布置，且應(yīng)變片中心距離焊縫邊緣為15～20mm。

圖4 鋼岔管水壓試驗(yàn)變形測(cè)點(diǎn)布置圖Figure 4 Layout of deformation measuring points of steel bifurcated pipe during hydrostatic test

2.5 變形、進(jìn)水量和水溫測(cè)點(diǎn)布置

變形監(jiān)測(cè)的測(cè)點(diǎn)布置在岔管的頂、底、腰、主管悶頭中心及月牙肋腰線上（見圖4），共布置10個(gè)位移傳感器和1套無線信號(hào)采集系統(tǒng)，在各個(gè)壓力循環(huán)下，按一定的壓力等級(jí)采集記錄一次數(shù)據(jù)。

進(jìn)水量監(jiān)測(cè)是通過記錄各個(gè)壓力等級(jí)下注入管內(nèi)水的體積來實(shí)現(xiàn)的，可通過對(duì)外置方形水箱的水位監(jiān)測(cè)來推算。

內(nèi)水溫監(jiān)測(cè)通過內(nèi)置溫度傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即將溫度傳感器安裝在鋼岔管內(nèi)，測(cè)試導(dǎo)線從出線裝置引出后接入顯示裝置，環(huán)境溫度則由溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]。

2.6 水壓試驗(yàn)過程設(shè)定

鋼岔管水壓試驗(yàn)預(yù)打壓目標(biāo)壓力為4MPa，正式打壓目標(biāo)壓力為6.9MPa。打壓和泄壓速率設(shè)定為0.05MPa/min，且每上升或下降0.5MPa保壓10min，高壓區(qū)適當(dāng)增加保壓時(shí)長(zhǎng)，圖5為預(yù)打壓壓力曲線，圖6為正式打壓壓力曲線。

3 水壓試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)

圖5 預(yù)打壓壓力曲線Figure 5 Preloading pressure curve

圖6 正式打壓壓力曲線Figure 6 Formal pressure curve

根據(jù)水壓試驗(yàn)開展情況總結(jié)，本文推薦一種水壓試驗(yàn)打壓記錄表（見表1）和應(yīng)力測(cè)試記錄表（見表2），以提高水壓試驗(yàn)安全性。為方便且直觀地對(duì)打壓過程應(yīng)力值、進(jìn)水量和變形量即時(shí)分析，應(yīng)對(duì)應(yīng)力測(cè)試值、進(jìn)水量和變形量建表并生成折線分析圖。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

將應(yīng)變片通過導(dǎo)線與靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)連接起來，調(diào)試完畢后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，記錄每個(gè)壓力循環(huán)下各個(gè)壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值[7]。測(cè)試結(jié)束后計(jì)算每個(gè)壓力循環(huán)下各個(gè)壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。表2可用于最大試驗(yàn)壓力6.9MPa循環(huán)下的應(yīng)力測(cè)試記錄。

3.2 變形、進(jìn)水量和水溫監(jiān)測(cè)

鋼岔管變形、進(jìn)水量的變化對(duì)水壓試驗(yàn)是否安全是直觀且重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)[8]，表2同樣可以用于各個(gè)壓力等級(jí)下鋼岔管變形和進(jìn)水量的變化數(shù)據(jù)記錄，同樣要生成分析圖表以進(jìn)行即時(shí)分析。

表1 鋼岔管水壓試驗(yàn)打壓記錄表Table 1 Hydraulic test and pressure record of bifurcated steel pipe

表2 鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試記錄表Table 2 Stress test record of hydraulic test for bifurcated steel pipe

4 結(jié)束語

隨著技術(shù)發(fā)展，抽水蓄能電站出現(xiàn)高水頭大容量的發(fā)展趨勢(shì)，引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)或一洞多機(jī)布置形式可大大減少土建開挖成本，鋼岔管的制造質(zhì)量尤為重要。水壓試驗(yàn)可消除鋼岔管的殘余應(yīng)力，提高整體抗脆斷和抗應(yīng)力腐蝕能力，保證鋼岔管安全穩(wěn)定運(yùn)行。鋼岔管水壓試驗(yàn)前需完成周密的策劃，確保測(cè)點(diǎn)布置合理，試驗(yàn)過程安全。