余 健，劉 蕊

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

1 工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站（簡稱呼蓄電站）位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的大青山區(qū)，工程由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房及下水庫等建筑物組成，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為300MW的混流可逆式水泵 水輪機(jī)組，總裝機(jī)容量為1200MW。呼蓄電站引水系統(tǒng)采用一管兩機(jī)的布置方式，鋼岔管采用對稱“Y”形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，分岔角70°，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，主錐長1.93m，支錐長3.91m，鋼岔管前后設(shè)計(jì)流速依次為7.97m/s、8.23m/s，采用790MPa級(jí)B780CF高強(qiáng)鋼制造，主、支岔壁厚70mm，肋板厚140mm，設(shè)計(jì)水頭906m，HD值達(dá)到4186m2，是我國已建水電工程HD值最大、國產(chǎn)鋼材強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼岔管[1]。

2 焊接殘余應(yīng)力測試

為確保呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)的安全及后續(xù)應(yīng)力測試提供參考，對鋼岔管進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的測試工作，測試分別在水壓試驗(yàn)前和水壓試驗(yàn)后進(jìn)行，根據(jù)水壓試驗(yàn)前后測試結(jié)果，反映水壓試驗(yàn)對殘余應(yīng)力的消除程度（見圖1）。

2.1 測區(qū)布置及表面處理

根據(jù)呼蓄電站鋼岔管焊縫的分布組成，選取關(guān)鍵、有代表性的部位作為檢測區(qū)域，每個(gè)測區(qū)按要求進(jìn)行表面處理，所有被測部位進(jìn)行打磨和拋光處理，不得有涂層、飛濺及污物，焊縫、熔合線及熱影響區(qū)必須清晰可見[2]。每個(gè)測區(qū)（ZH表示左側(cè)環(huán)縫，YH表示右側(cè)環(huán)縫，ZZ表示左側(cè)縱縫，YZ表示右側(cè)縱縫，ZT表示左側(cè)T字接頭）分別包含焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)的測點(diǎn)，采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀進(jìn)行鋼岔管焊接殘余應(yīng)力的測試工作。

2.2 測點(diǎn)坐標(biāo)規(guī)定

測點(diǎn)方位坐標(biāo)規(guī)定：以各測點(diǎn)連線與鋼岔管軸線平行的方向定為軸向；與鋼岔管軸線垂直的方向定為環(huán)向，測量值為正值的是拉應(yīng)力，測量值為負(fù)值的是壓應(yīng)力（圖2中焊縫熱影響區(qū)表示為HAZ）。

2.3 焊接殘余應(yīng)力對比測試結(jié)果及評價(jià)

鋼岔管水壓試驗(yàn)前各測區(qū)的測點(diǎn)軸向焊接殘余應(yīng)力平均值記為σ軸前，水壓試驗(yàn)后各測區(qū)軸向焊接殘余應(yīng)力平均值記為σ軸后；岔管水壓試驗(yàn)前、后各測區(qū)各測點(diǎn)環(huán)向焊接殘余應(yīng)力平均值記為σ環(huán)前、σ環(huán)后。根據(jù)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可得：σ軸前1=212MPa，σ軸后1=118MPa；σ環(huán)前1=397MPa，σ環(huán)后1=260MPa；σ軸前2=247MPa，σ軸后2=166MPa；σ環(huán)前2=277MPa，σ環(huán)后2=212MPa。據(jù)此可計(jì)算得1號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)殘余應(yīng)力消除率：P軸1=44.34%，P環(huán)1=34.51%；1號(hào)鋼岔管總平均值殘余應(yīng)力消除率P1=39.43%。2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)殘余應(yīng)力消除率：P軸2=32.79%，P環(huán)2=23.47%。2號(hào)鋼岔管總平均值殘余應(yīng)力消除率P2=28.13%。采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測試，具有對鋼岔管焊縫同一測點(diǎn)進(jìn)行水壓試驗(yàn)前后再現(xiàn)觀測的優(yōu)點(diǎn)，通過同一測點(diǎn)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力值的變化，更加充分驗(yàn)證水壓試驗(yàn)對焊接殘余應(yīng)力的峰值起到有效的消減作用，為鋼岔管的后期長久安全運(yùn)行提供了有力保障。

3 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試

3.1 水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

由于鋼岔管內(nèi)壁工作應(yīng)力測試需在有水狀態(tài)下進(jìn)行，需準(zhǔn)備防水應(yīng)變片，并設(shè)計(jì)制作專用的應(yīng)變片導(dǎo)線過管壁裝置。應(yīng)力測試控制點(diǎn)的測試應(yīng)力分解為環(huán)向和水流方向兩個(gè)應(yīng)力分量，肋板處應(yīng)力測試控制點(diǎn)的測試應(yīng)力分解為環(huán)向、水流方向和45°方向。本次鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試采用電測法，測試儀器采用DH3815N型應(yīng)變測試系統(tǒng)和DH3819型無線應(yīng)變測試系統(tǒng)，采用進(jìn)口WFCA-6-11-5LT型應(yīng)變片[3]。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，被測構(gòu)件的原始狀態(tài)要能夠保證，即在鋼岔管不受水壓力的情況下完成應(yīng)變片連接、儀器調(diào)試調(diào)零等準(zhǔn)備工作，然后逐步讓鋼管承受水壓力，記錄鋼管不同部位在不同水壓力下所產(chǎn)生的應(yīng)變，繪制各應(yīng)變片在充水加載過程中的應(yīng)力曲線圖。

圖1 鋼岔管殘余應(yīng)力測區(qū)位置圖（a）1號(hào)岔管測區(qū)位置；（b）2號(hào)岔管測區(qū)位置Figure 1 Steel pipe residual stress location map

圖2 鋼岔管測區(qū)的測點(diǎn)布置示意圖（a）縱縫測點(diǎn)布置圖；（b）環(huán)縫測點(diǎn)布置圖；（c）T形接頭測點(diǎn)布置圖Figure 2 Schematic diagram of measuring point layout of steel pipe area

3.2 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試過程

根據(jù)鋼岔管三維有限元計(jì)算結(jié)果，在岔管頂部、腰線轉(zhuǎn)折角、肋板內(nèi)緣、肋旁管壁、主支錐相貫線及其高應(yīng)力區(qū)、岔管整體膜應(yīng)力區(qū)等關(guān)鍵點(diǎn)位布置了監(jiān)測點(diǎn)，全面監(jiān)控了水壓試驗(yàn)過程。水壓試驗(yàn)分為預(yù)壓試驗(yàn)和明管水壓試驗(yàn)兩個(gè)階段，鋼岔管水壓試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鋼岔管水壓試驗(yàn)技術(shù)參數(shù)表Table 1 Steel pipe hydrazine pressure test technical parameters

鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試流程：確定應(yīng)變片粘貼位置→打磨應(yīng)變片粘貼位置→粘貼應(yīng)變片→連接設(shè)備測試開始→鋼管充水加壓試驗(yàn)開始→應(yīng)變信號(hào)采集→分析應(yīng)變信號(hào)提供綜合測試結(jié)果→提供工作應(yīng)力數(shù)據(jù)。若監(jiān)測的工作應(yīng)力值接近鋼板試驗(yàn)應(yīng)力允許值，應(yīng)立即停止充水加壓試驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場分析研究，確定試驗(yàn)是否繼續(xù)進(jìn)行。

3.3 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果

1、2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果見表2。

1號(hào)鋼岔管在加壓到9.06MPa時(shí)，其應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在第Y2′-1′S測點(diǎn)上，測試值586.91MPa；2號(hào)鋼岔管加壓到9.06MPa時(shí)，其應(yīng)力測試最大拉應(yīng)力值發(fā)生在第Y2′-1S測點(diǎn)上，測試值603.53MPa。呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)時(shí)，首次在主支錐相貫線的高應(yīng)力區(qū)和岔管整體膜應(yīng)力區(qū)布置了監(jiān)測點(diǎn)，試驗(yàn)證明此點(diǎn)為水壓試驗(yàn)應(yīng)力控制點(diǎn)，為鋼岔管應(yīng)力分析和水壓試驗(yàn)壓力的確定供了有力的數(shù)據(jù)支持；首次以鋼材的屈服強(qiáng)度作為主支錐相貫線的高應(yīng)力區(qū)水壓試驗(yàn)工況下的抗力限值，提高了水壓試驗(yàn)壓力，最大限度地消除了焊接殘余應(yīng)力，有利于岔管的結(jié)構(gòu)安全，完善了規(guī)范水壓試驗(yàn)工況在該區(qū)域抗力限值的制定標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)岔管水壓試驗(yàn)抗力限值的制定及水壓試驗(yàn)壓力的確定積累了經(jīng)驗(yàn)。

表2 1、2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)壓力測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 2 1# and 2# steel pipe pressure test pressure test results statistics （MPa）

4 水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測

4.1 變形測試方案

呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)過程中采用V-STARS數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)進(jìn)行變形監(jiān)測，此方法采用高精度的專業(yè)相機(jī)，通過在不同的位置和方向，對試驗(yàn)鋼岔管進(jìn)行拍攝，V-STARS軟件自動(dòng)處理數(shù)據(jù)照片，通過數(shù)學(xué)計(jì)算及圖像匹配等處理，得到監(jiān)測點(diǎn)精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)[4-5]。根據(jù)呼蓄電站鋼岔管的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)要求，在鋼岔管的主管悶頭布設(shè)測點(diǎn)M1，支管悶頭部位分別布設(shè)M2和M3兩個(gè)測點(diǎn)；在岔管腰線部位各布設(shè)Y1、Y2、Y3、Y4和Y5五個(gè)測點(diǎn)；在岔管頂部布設(shè)測點(diǎn)D1，底部布設(shè)測點(diǎn)D2。

4.2 變形監(jiān)測成果

1號(hào)岔管悶頭部位、腰線、頂部及底部水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)見表3，2號(hào)岔管悶頭部位、腰線、頂部及底部水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)見表4。

表3 1號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 1# steel pipe hydraulic pressure test deformation statistics table （mm）

表4 2號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 4 2# steel pipe hydraulic pressure test deformation statistics table （mm）

采用V-STARS數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)對呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)進(jìn)行全程變形監(jiān)測，具有全面、快速、非接觸性、可實(shí)時(shí)測量的優(yōu)勢，特別是在水壓試驗(yàn)具有一定危險(xiǎn)性的工作場合，具有極高的測量精度和極大的優(yōu)點(diǎn)[6]。

5 水壓試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測

5.1 聲發(fā)射傳感器布置方案

為確保呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)安全進(jìn)行，實(shí)施過程中增加了聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，通過此技術(shù)，可監(jiān)控水壓試驗(yàn)過程中鋼岔管管壁、焊縫等缺陷的擴(kuò)展情況。呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)聲發(fā)射監(jiān)測采用全數(shù)字多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀（型號(hào)Vallen Amsy-6）[7-8]，在岔管月牙肋組合焊縫兩邊共布置13個(gè)傳感器，距離月牙肋組合焊縫200mm，每個(gè)傳感器間距約為773mm，對岔管的焊縫在水壓試驗(yàn)全過程實(shí)施監(jiān)控。

5.2 聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果

（1）1號(hào)鋼岔管聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果。水壓從0～6MPa升壓過程和保壓時(shí)段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現(xiàn)有意義的聲發(fā)射源。水壓從6～6.3MPa升壓過程和保壓時(shí)段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，發(fā)現(xiàn)一處有意義的聲發(fā)射源。水壓從6.3～9.06MPa升壓過程和保壓時(shí)段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現(xiàn)有意義的聲發(fā)射源。

（2）2號(hào)鋼岔管聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果。水壓從0～9.06MPa各階段升壓過程和保壓時(shí)段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現(xiàn)有意義的聲發(fā)射源。

5.3 聲發(fā)射檢測結(jié)果評定

由水壓試驗(yàn)時(shí)聲發(fā)射在不同檢測時(shí)段中采集的信號(hào)分析可知，1號(hào)鋼岔管在水壓為6.5MPa時(shí)發(fā)現(xiàn)一處有意義的聲發(fā)射，其他水壓試驗(yàn)階段中，未發(fā)現(xiàn)有意義的聲發(fā)射源；2號(hào)鋼岔管在整個(gè)水壓試驗(yàn)過程中，未發(fā)現(xiàn)異常的聲發(fā)射源。依據(jù)《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價(jià)方法》（GB/T 18182—2012）“8.4 源的綜合等級(jí)劃分”中的規(guī)定，呼蓄電站鋼岔管監(jiān)測中采集到的聲發(fā)射源為非活性和弱強(qiáng)度，因此經(jīng)評定綜合等級(jí)為A級(jí)。

實(shí)踐證明，聲發(fā)射監(jiān)控是水壓試驗(yàn)可靠的保證手段，對鋼岔管水壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了有力的保障，同時(shí)，通過水壓試驗(yàn)的聲發(fā)射監(jiān)測結(jié)果，驗(yàn)證了呼蓄電站鋼岔管的設(shè)計(jì)、選材、制造及水壓試驗(yàn)參數(shù)的選擇都是正確合理的，鋼岔管的制造質(zhì)量滿足工程運(yùn)行的要求。

6 結(jié)束語

（1）呼蓄電站是國內(nèi)首次采用國產(chǎn)790MPa級(jí)B780CF高強(qiáng)鋼制造的高水頭、大體型鋼岔管。鋼岔管焊縫質(zhì)量主要通過無損檢測和力學(xué)性能兩方面共同評定，焊縫的無損檢測可以通過MT、UT、RT、TOFD等手段來實(shí)現(xiàn)，但力學(xué)性能的檢測相對隱蔽，且無法重復(fù)和再現(xiàn)檢測，因此呼蓄電站鋼岔管通過焊接殘余應(yīng)力對比試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試、水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測及聲發(fā)射監(jiān)測等試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋼岔管焊縫接頭承受極端荷載的能力，也印證了呼蓄電站鋼岔管的設(shè)計(jì)、選材、制造及水壓試驗(yàn)的參數(shù)選擇是正確合理的，鋼岔管整體質(zhì)量滿足呼蓄電站運(yùn)行要求。同時(shí)，呼蓄電站鋼岔管水壓試驗(yàn)的成功，也為國內(nèi)未來高水頭、大HD值高壓鋼岔管的水壓試驗(yàn)提供了工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

（2）使用X射線衍射法測試殘余應(yīng)力具有無損的特點(diǎn)，特別適合高強(qiáng)鋼的焊接殘余應(yīng)力測試，同時(shí)這種方法更可以在水壓試驗(yàn)前后在同一部位進(jìn)行復(fù)測，實(shí)現(xiàn)了水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力的測試對比，具有其他殘余應(yīng)力測試方法方法無可比擬的優(yōu)越性。根據(jù)水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)結(jié)果，1號(hào)鋼岔管總平均值殘余應(yīng)力消除率P1=39.43%，2號(hào)鋼岔管總平均值殘余應(yīng)力消除率P2=28.13%，充分驗(yàn)證水壓試驗(yàn)對焊接殘余應(yīng)力的峰值起到有效的消減作用，為鋼岔管的后期長久安全運(yùn)行提供了有力保障。