關(guān) 磊，余鵬翔，邱叢威，陳韶哲

（1.水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，浙江 杭州 310024；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司，湖北 宜昌 443007）

1 概述

1.1 SHM 技術(shù)

結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)（Structural Health Monitoring，簡(jiǎn)稱(chēng)SHM）是通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)采集結(jié)構(gòu)信息來(lái)分析判斷結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化結(jié)構(gòu)性能評(píng)估和損傷識(shí)別，從而達(dá)到在結(jié)構(gòu)發(fā)生早期損傷或者疲勞裂紋萌生時(shí)及時(shí)采取修復(fù)性措施，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可修復(fù)的破壞。

SHM 技術(shù)是多學(xué)科理論、方法和技術(shù)相互交叉的一個(gè)學(xué)科，主要包括感知和決策兩大環(huán)節(jié)，關(guān)注的參量取決于監(jiān)測(cè)對(duì)象的結(jié)構(gòu)。它是利用各類(lèi)傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)的溫度、濕度等環(huán)境參量和結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力等響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的特征信息進(jìn)行重點(diǎn)提取和研究，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估、維修和加固等工作提供科學(xué)決策。

根據(jù)系統(tǒng)功能的不同，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)可分為主動(dòng)監(jiān)測(cè)與被動(dòng)監(jiān)測(cè)兩種[1]，本文所述的監(jiān)測(cè)類(lèi)型主要為主動(dòng)監(jiān)測(cè)。水壓試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)對(duì)鋼岔管內(nèi)部注水加壓，本體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號(hào)，當(dāng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)生改變，通過(guò)分析損傷信號(hào)的特征對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.2 工程概況

某水電站鋼岔管制造及水壓試驗(yàn)創(chuàng)下了多項(xiàng)世界之最：第一，800 MPa 級(jí)鋼岔管制造母材和焊材高度國(guó)產(chǎn)化；第二，月牙肋厚度144 mm 是目前全球范圍內(nèi)使用板厚最大的800 MPa 級(jí)水電鋼；第三，鋼岔管支管內(nèi)徑2.12 m，管殼厚度72 mm，徑厚比系數(shù)創(chuàng)該級(jí)別鋼種世界極限；第四，按1.25 倍設(shè)計(jì)壓力確定的水壓試驗(yàn)壓力13.36 MPa 是同強(qiáng)度級(jí)別鋼岔管水壓試驗(yàn)壓力之最。

2 水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)是水電站制造安裝過(guò)程中的重要節(jié)點(diǎn)之一，主要作用是對(duì)鋼岔管的制作和焊接施工質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性[2]，同時(shí)通過(guò)水壓試驗(yàn)還可以達(dá)到消除或部分消除鋼岔管在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的峰值應(yīng)力，并使良性的缺陷尤其是尖狀缺陷鈍化，防止這些缺陷在運(yùn)行過(guò)程中擴(kuò)張，保證鋼岔管的運(yùn)行安全。本次采用1 號(hào)、2 號(hào)鋼岔管聯(lián)合打壓的方式進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)，將兩岔管的主管對(duì)接，支管與悶頭對(duì)接，形成密閉容器。整個(gè)岔管水平自由臥放在多個(gè)鞍形支架上，岔管底點(diǎn)離地600 mm，支架焊接在整體鋼板上，有足夠的剛性。

水壓試驗(yàn)采用重復(fù)逐級(jí)加載的方式緩慢增壓，以削減加工工藝引起的部分殘余應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力得到調(diào)整、均化并趨于穩(wěn)定，使測(cè)試數(shù)據(jù)能反映岔管的彈性狀況。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，加載速度以不大于0.05 MPa/min 進(jìn)行[3]。水壓試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，即預(yù)壓試驗(yàn)和正式水壓試驗(yàn)，預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程為：0 MPa——升壓至 2.0 MPa，穩(wěn)壓30 min——卸壓至0 MPa，穩(wěn)壓時(shí)，對(duì)岔管焊縫、試驗(yàn)管路進(jìn)行檢查，應(yīng)無(wú)滲水和其它異常情況，正式水壓試驗(yàn)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 水壓試驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)

3 水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)

3.1 概述

水壓試驗(yàn)具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，為確保水壓試驗(yàn)安全，在水壓試驗(yàn)全過(guò)程應(yīng)用SHM 技術(shù)，以實(shí)時(shí)掌握分析鋼岔管在水壓試驗(yàn)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。本次水壓試驗(yàn)運(yùn)用了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)應(yīng)力傳感技術(shù)、金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)、X 射線(xiàn)衍射法殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)、位移傳感技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)等，主要測(cè)試傳感器布置示意圖如圖2 所示，以下對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和監(jiān)測(cè)成果分別進(jìn)行介紹。

圖2 傳感器布置示意圖

3.2 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

聲發(fā)射是指材料局部能量的快速釋放而發(fā)出彈性波的現(xiàn)象[4]，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)非破壞監(jiān)測(cè)技術(shù)，可提供缺陷隨荷載、時(shí)間、溫度等外變量而變化的信息，適合于在線(xiàn)監(jiān)控早期或臨近破壞預(yù)警，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射源的采集和分析，對(duì)材料的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)，為材料的安全運(yùn)行提供科學(xué)的數(shù)據(jù)。

鋼岔管在水壓試驗(yàn)升壓和保壓過(guò)程中，在承受內(nèi)水壓力的載荷作用下，表面或內(nèi)部存在的缺陷將會(huì)產(chǎn)生聲發(fā)射源。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行監(jiān)控，并確定聲發(fā)射源的部位、綜合等級(jí)等，以判定缺陷的危害程度，為鋼岔管水壓試驗(yàn)的安全提供技術(shù)保障。

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)主要監(jiān)控對(duì)象為鋼岔管月牙肋與錐管焊縫、主錐環(huán)向焊縫，傳感器距離焊縫20 cm，兩傳感器間距不大于1.5 m。

圖3 月牙肋與錐管焊縫定位圖

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：鋼岔管在升壓及保壓過(guò)程中進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯有意義的聲發(fā)射定位源，圖3 和圖4 為鋼岔管在水壓為12 MPa～13.36 MPa以及13.36 MPa 保壓階段的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位圖，由圖4 可以看出，在24 號(hào)探頭附近出現(xiàn)高活性、中強(qiáng)度的聲發(fā)射定位源。水壓試驗(yàn)后，運(yùn)用脈沖反射法超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)24 號(hào)探頭與25 號(hào)探頭之間焊縫有一處點(diǎn)狀非超標(biāo)缺欠，缺欠深度28.6 mm，波幅H0-2.8 dB，該缺欠為良性缺欠，并不影響焊縫質(zhì)量。因此，結(jié)合相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)，鋼岔管在整個(gè)水壓試驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)行良好。

圖4 主錐環(huán)向焊縫定位圖

3.3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

本次應(yīng)用電測(cè)法[5]和傳感器信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)[6]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓試驗(yàn)過(guò)程中鋼岔管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，任何一點(diǎn)的應(yīng)力分量值不應(yīng)超過(guò)材料的允許應(yīng)力值[7]，否則停止加壓。另外，通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)可以分析鋼岔管結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律[8]，監(jiān)測(cè)成果可以與設(shè)計(jì)計(jì)算成果進(jìn)行比較，為后期的安裝和運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

根據(jù)月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋岔管的受力特征[9]，岔管應(yīng)力測(cè)試的重點(diǎn)部位為鈍角區(qū)、肋板旁管殼區(qū)和月牙肋板處。管殼測(cè)點(diǎn)在內(nèi)、外壁對(duì)應(yīng)布置，以測(cè)試膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力，月牙肋板測(cè)點(diǎn)，管內(nèi)布置在靠近內(nèi)緣的側(cè)面，管外布置在月牙肋板的外緣，根據(jù)岔管結(jié)構(gòu)上下對(duì)稱(chēng)特性，測(cè)點(diǎn)集中布置在岔管的下半部分。

水壓試驗(yàn)過(guò)程中1 號(hào)、2 號(hào)鋼岔管最大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的水壓—應(yīng)力曲線(xiàn)如圖5 所示，監(jiān)測(cè)過(guò)程中未出現(xiàn)應(yīng)力峰值異常變化現(xiàn)象，各測(cè)點(diǎn)環(huán)向分量應(yīng)力值隨內(nèi)水壓力的升高而增大，基本呈線(xiàn)性變化。在水壓為10 MPa 時(shí)，線(xiàn)性斜率開(kāi)始變小，說(shuō)明在該水壓下材料或焊縫內(nèi)部存在的殘余應(yīng)力逐步得到消除或尖狀缺陷逐步得到鈍化。在水壓為13.36 MPa 時(shí)，1號(hào)鋼岔管最大應(yīng)力值為429.3 MPa，小于允許應(yīng)力值481 MPa；2 號(hào)鋼岔管最大應(yīng)力值為407.6 MPa，小于允許應(yīng)力值481 MPa，上述兩點(diǎn)的如圖5 所示。

圖5 最大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在水壓試驗(yàn)過(guò)程中的水壓—應(yīng)力曲線(xiàn)

3.4 變形量監(jiān)測(cè)

鋼岔管在內(nèi)水壓增大時(shí)，體積膨脹會(huì)產(chǎn)生變形，鋼岔管特殊的外形會(huì)在不同的位置產(chǎn)生不同的變形量。采用應(yīng)變式位移傳感器對(duì)鋼岔管重點(diǎn)部位進(jìn)行變形量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以得到水壓試驗(yàn)過(guò)程中岔管外形的變化趨勢(shì)，并采用有限元計(jì)算的變形值作為預(yù)警值，以保證水壓試驗(yàn)過(guò)程中鋼岔管的安全。傳感器主要布置在岔管及月牙肋的腰部、頂部和底和岔管對(duì)接部位。

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：水壓試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)變形量異常變化現(xiàn)象，各測(cè)點(diǎn)變形值隨內(nèi)水壓力的升高而增大，基本呈線(xiàn)性變化。鋼岔管在水壓為13.36 MPa時(shí)，1 號(hào)鋼岔管最大變形值為5.373 mm，位于錐管和支管連接焊縫測(cè)點(diǎn)處，2 號(hào)鋼岔管最大變形值為3.585 mm，位于錐管和支管連接焊縫測(cè)點(diǎn)處，上述兩點(diǎn)的水壓試驗(yàn)過(guò)程水壓—變形量曲線(xiàn)如圖6 所示。

圖6 最大變形量測(cè)點(diǎn)在水壓試驗(yàn)過(guò)程中的水壓—變形量曲線(xiàn)

3.5 殘余應(yīng)力測(cè)試

鋼岔管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鋼板厚、焊縫多、約束度大，在焊接過(guò)程中雖然采取成熟的焊接工藝[10]，但焊接是一個(gè)局部熔化、局部高溫、溫度梯度極高、溫度快速升高快速下降，并且發(fā)生結(jié)晶和相變的過(guò)程。在實(shí)際操作中，不可避免地出現(xiàn)焊縫高溫區(qū)的膨脹受到周邊低溫區(qū)的限制與擠壓，使高溫區(qū)域產(chǎn)生局部壓縮塑性變形，焊接部位在冷卻過(guò)程中，塑性變形未能自由收縮，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

水壓試驗(yàn)作為消除殘余應(yīng)力的主要工藝方法得到廣泛地應(yīng)用。為檢驗(yàn)水壓試驗(yàn)消除殘余應(yīng)力的效果[11]，選取殘余應(yīng)力較大的區(qū)域在水壓試驗(yàn)前后分別進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，為使測(cè)試數(shù)據(jù)具有對(duì)比價(jià)值和科學(xué)意義，水壓試驗(yàn)前后選取同一位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。

測(cè)區(qū)的選擇是先根據(jù)鋼岔管有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合鋼岔管焊縫的實(shí)際分布特性，選取關(guān)鍵、有代表性的高應(yīng)力區(qū)，再采用金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)[12]確定應(yīng)力集中區(qū)域作為殘余應(yīng)力測(cè)試區(qū)。

X 射線(xiàn)衍射法[13]是利用晶面間距隨應(yīng)力變化來(lái)計(jì)算殘余應(yīng)力，其理論和實(shí)踐都比較成熟，因此，本次采用該方法進(jìn)行殘余應(yīng)力的測(cè)試。水壓試驗(yàn)前，對(duì)鋼岔管進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，記錄成果，水壓試驗(yàn)完成后，在相同位置再次進(jìn)行測(cè)試，記錄成果，并與試驗(yàn)前的測(cè)試成果進(jìn)行對(duì)比分析，分析水壓試驗(yàn)消除殘余應(yīng)力的效果。

打磨去除測(cè)區(qū)內(nèi)的焊縫余高，使之與兩側(cè)的母材齊平，并使用電解拋光技術(shù)對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行電解拋光，以去除磨削應(yīng)力并保持拋光區(qū)域光滑，并清晰顯示母材和焊縫的熔合線(xiàn)為宜。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)試X向即平行于焊縫方向和Y 向即垂直于焊縫方向的應(yīng)力值。

測(cè)試結(jié)果表明：1 號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前各測(cè)區(qū)的X 向最大壓應(yīng)力-424 MPa，最大拉應(yīng)力460 MPa，Y 向最大壓應(yīng)力-275 MPa，最大拉應(yīng)力602 MPa，水壓試驗(yàn)后上述各點(diǎn)的應(yīng)力值分別為-363 MPa、246 MPa、-181 MPa、375 MPa，殘余應(yīng)力降低率分別為：14.4%、46.5%、34.2%、37.7%，水壓試驗(yàn)消除殘余應(yīng)力效果明顯。2 號(hào)鋼岔管水壓試驗(yàn)前各測(cè)區(qū)的X向最大壓應(yīng)力-326 MPa，最大拉應(yīng)力330 MPa，Y 向最大壓應(yīng)力-244 MPa，最大拉應(yīng)力448 MPa，水壓試驗(yàn)后上述各點(diǎn)的應(yīng)力值分別為-243 MPa、285 MPa、-120 MPa、348 MPa，殘余應(yīng)力降低率分別為：25.5%、13.6%、50.8%、22.3%，水壓試驗(yàn)的消除殘余應(yīng)力效果明顯。

4 結(jié)論

水電站引水系統(tǒng)采用一洞兩機(jī)或一洞多機(jī)的布置形式可大大減少土建開(kāi)挖成本，鋼岔管也越來(lái)越普遍地被采用，高水頭、大容量電站的發(fā)展趨勢(shì)也將給鋼岔管的制造帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，尤其是新鋼種、新結(jié)構(gòu)、大厚度高強(qiáng)鋼的使用，水壓試驗(yàn)作為檢驗(yàn)鋼岔管設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的主要手段越來(lái)越受到重視。

SHM 技術(shù)為水壓試驗(yàn)提供技術(shù)保障，在引水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中起到的重要作用逐步得到業(yè)內(nèi)專(zhuān)家和參建各方的認(rèn)可，越來(lái)越多的重點(diǎn)工程成功應(yīng)用該技術(shù)。本次水壓試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)可為同類(lèi)工程提供借鑒，并為水電站鋼岔管的設(shè)計(jì)、制造和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂提供基礎(chǔ)技術(shù)數(shù)據(jù)。