關(guān) 磊 岳高峰 吳鵬

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

1 工程概述

水電站鋼岔管是指壓力鋼管分岔處的管段，一般包括主管、錐形管和支管。浙江長龍山抽水蓄能電站鋼岔管為對稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型，主管直徑為4.0m，支管直徑為2.8m，鋼岔管材質(zhì)為國產(chǎn)800MPa高強(qiáng)鋼，主、支管壁厚均為66mm，月牙肋板厚為138mm，承受內(nèi)水頭1200m，HD值高達(dá)4800m·m，其規(guī)模位于世界前列。

為檢驗(yàn)鋼岔管的制作和焊接施工質(zhì)量，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性，部分消除鋼岔管的峰值應(yīng)力并使尖狀缺陷鈍化，防止缺陷擴(kuò)張，保證鋼岔管安全運(yùn)行[1]，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，對該電站鋼岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)。結(jié)合電站實(shí)際運(yùn)行條件和相關(guān)計(jì)算成果，確定水壓試驗(yàn)最大壓力為10MPa，該壓力值為目前同類電站國內(nèi)最大。岔管水壓試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：預(yù)壓試驗(yàn)和正式水壓試驗(yàn)。預(yù)壓試驗(yàn)過程為：0MPa升壓至2.0MPa，穩(wěn)壓30min后卸壓至0MPa，穩(wěn)壓時(shí)，對岔管焊縫、試驗(yàn)管路進(jìn)行檢查，應(yīng)無滲水和其他異常情況。正式水壓試驗(yàn)進(jìn)行兩次。第一次加載循環(huán)為：0MPa升壓至2.0MPa，穩(wěn)壓30min后升壓至4.0MPa，穩(wěn)壓30min后升壓至6.0MPa，穩(wěn)壓60min后升壓至8.0MPa，穩(wěn)壓60min后升壓至9.0MPa，穩(wěn)壓60min，對岔管進(jìn)行檢查，應(yīng)無滲水和其他異常情況，卸壓至8.0MPa，穩(wěn)壓30min后卸壓至6.0MPa，穩(wěn)壓30min后卸壓至4.0MPa，穩(wěn)壓30min后卸壓至2.0MPa，穩(wěn)壓30min最后卸壓至0MPa。第二次加載循環(huán)在按第一次加載循環(huán)升壓至9.0MPa，穩(wěn)壓60min后，若情況正常，則繼續(xù)升壓至10MPa，穩(wěn)壓60min后卸壓至9.0MPa，穩(wěn)壓30min后按第一次循環(huán)進(jìn)行卸壓至初始狀態(tài)。

本次水壓試驗(yàn)的最大壓力值10MPa在國內(nèi)尚屬首次，經(jīng)過專家論證，水壓試驗(yàn)全過程進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測，以實(shí)時(shí)掌握鋼岔管在相應(yīng)水壓狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況，分析工作應(yīng)力的分布規(guī)律。為確保水壓試驗(yàn)的安全，在水壓試驗(yàn)全過程隨時(shí)監(jiān)測各點(diǎn)的最大應(yīng)力，任何一點(diǎn)的應(yīng)力峰值不應(yīng)超過鋼材的許用應(yīng)力，否則停止加壓。

水壓試驗(yàn)進(jìn)行兩次加載循環(huán)主要基于以下兩個(gè)方面的考慮：?水壓試驗(yàn)達(dá)到如此高的壓力，在國內(nèi)沒有工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，為確保水壓試驗(yàn)的安全順利進(jìn)行[2]，經(jīng)論證，第一個(gè)循環(huán)加載至9.0MPa，無異常情況后再進(jìn)行10MPa的加載循環(huán)；?通過兩個(gè)循環(huán)過程的應(yīng)力監(jiān)測，分析中厚高強(qiáng)鋼板及焊縫區(qū)域在經(jīng)過高水壓后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)及分布規(guī)律。

2 應(yīng)力監(jiān)測

2.1 測試技術(shù)難點(diǎn)及創(chuàng)新

月牙肋是鋼岔管的重要構(gòu)件，主管和支管對月牙肋板作用力合力作用點(diǎn)在管內(nèi)，而且前期的計(jì)算結(jié)果也表明月牙肋靠近內(nèi)緣的側(cè)面應(yīng)力最大，必須對這些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測。應(yīng)力監(jiān)測采用傳統(tǒng)的應(yīng)變測試技術(shù)[3]，并應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[4]。

在實(shí)際運(yùn)行過程中鋼岔管主要承受內(nèi)水壓，由中厚板制作而成的密閉高壓容器，在承受內(nèi)水壓時(shí)，內(nèi)壁受力狀況與外壁受力狀況不同，為了解內(nèi)部管壁膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力狀況，本次應(yīng)力監(jiān)測除了在鋼岔管外部布置應(yīng)變計(jì)外，在內(nèi)壁的對稱位置也布置了應(yīng)變計(jì)。由于內(nèi)壁處在高壓水環(huán)境下，因此內(nèi)壁應(yīng)力監(jiān)測需要解決以下技術(shù)難題：

a.高壓水環(huán)境下的測試信號(hào)線接頭連接技術(shù)。本次應(yīng)力監(jiān)測采用國內(nèi)自主研發(fā)的防水型應(yīng)變計(jì)，自帶信號(hào)線長度約1m，把信號(hào)線引出岔管外部需要進(jìn)行加長處理，在高壓水環(huán)境下信號(hào)線接頭會(huì)發(fā)生漏水而導(dǎo)致絕緣性能喪失，從而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。項(xiàng)目組針對該技術(shù)難題研究出一項(xiàng)專利技術(shù)“一種高壓水環(huán)境下的測試信號(hào)線連接接頭結(jié)構(gòu)”[5]，有效改善了高壓水環(huán)境下信號(hào)線連接接頭進(jìn)水漏電的現(xiàn)狀。

b.高壓容器內(nèi)水環(huán)境下的測試信號(hào)線引出技術(shù)。本次應(yīng)力監(jiān)測內(nèi)部測點(diǎn)較多，信號(hào)線引出的工作量較大，在內(nèi)外壓差高達(dá)10MPa的情況下將信號(hào)線引出，如信號(hào)線引出方法不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致漏水，甚至存在安全隱患，國內(nèi)還沒有工程實(shí)例可以參考，因此，采取安全可靠的信號(hào)線引出裝置尤為重要。項(xiàng)目組經(jīng)過計(jì)算分析，研究出一項(xiàng)專利技術(shù)“一種高壓容器內(nèi)無腐蝕液態(tài)環(huán)境下的測試信號(hào)線引出裝置”[6]，有效改善了高水壓鋼岔管內(nèi)壁測試信號(hào)線引出困難的現(xiàn)狀。

c.內(nèi)部應(yīng)變計(jì)的防護(hù)。本次應(yīng)力監(jiān)測采用國內(nèi)自主研發(fā)的防水型應(yīng)變計(jì)，就其防護(hù)性能而言，國內(nèi)還沒有水壓力在7MPa[7]以上的工程應(yīng)用實(shí)例可供參考。為確保水壓試驗(yàn)過程中應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，項(xiàng)目組經(jīng)過多次試驗(yàn)，研究出應(yīng)變計(jì)多層防護(hù)工藝，先采用專用AB膠進(jìn)行兩次防護(hù)，每次防護(hù)之間相隔至少24h，最后采用厭氧硅膠進(jìn)行兩次防護(hù)，從而達(dá)到對應(yīng)變計(jì)防護(hù)的效果。

2.2 測點(diǎn)布置

根據(jù)月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋岔管的受力特征，岔管應(yīng)力測量的重點(diǎn)部位為鈍角區(qū)、肋板旁管殼區(qū)和月牙肋等區(qū)域[8]。應(yīng)力狀況比較明確的部位按環(huán)向和軸向布置雙向直角應(yīng)變計(jì)，復(fù)雜部位布置三向直角應(yīng)變計(jì)。

監(jiān)測點(diǎn)在內(nèi)、外壁對稱布置，月牙肋板測點(diǎn)，內(nèi)部布置在靠近內(nèi)緣的側(cè)面，管外部布置在月牙肋板的外緣。根據(jù)岔管結(jié)構(gòu)上下對稱特性，測點(diǎn)集中布置在岔管的下半部分，焊縫附近測點(diǎn)距離焊縫中心線50mm。

鋼岔管內(nèi)外壁共布置應(yīng)力測點(diǎn)20個(gè)，其中3個(gè)三向應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)、7個(gè)雙向應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)，內(nèi)外壁對稱布置。月牙肋內(nèi)緣布置2個(gè)單向應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)，外緣布置1個(gè)單向片測點(diǎn)，內(nèi)外壁共有49個(gè)應(yīng)力測試分量，應(yīng)力測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖

2.3 監(jiān)測結(jié)果及分析

本次對水壓試驗(yàn)全過程進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測，因篇幅限制，本文只討論水壓試驗(yàn)升壓過程數(shù)據(jù)，第一次水壓試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1，第二次水壓試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。表中測點(diǎn)號(hào)表述含義為：字母“N”表示為內(nèi)部測點(diǎn)，字母“W”表示外部測點(diǎn)，第一個(gè)數(shù)字表示測點(diǎn)號(hào)，與測點(diǎn)布置示意圖對應(yīng)，第二個(gè)數(shù)字表示分量序號(hào)。薄壁圓筒承受內(nèi)壓時(shí)，其環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的2倍[9]，因此，本文對各測點(diǎn)環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行重點(diǎn)討論。

表1 第一次水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果

表2 第二次水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果

a.表中各測點(diǎn)應(yīng)力值隨內(nèi)水壓力的升高而增大，基本呈線性變化(忽略測試誤差和現(xiàn)場試驗(yàn)因大功率電氣設(shè)備頻繁啟動(dòng)對采集信號(hào)的干擾)。圖2、圖3為第一次水壓試驗(yàn)典型監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)、外部環(huán)向分量應(yīng)力值變化趨勢，圖4、圖5為第二次水壓試驗(yàn)典型監(jiān)測點(diǎn)內(nèi)、外部環(huán)向分量應(yīng)力值變化趨勢。

圖2 第一次水壓試驗(yàn)典型管壁測點(diǎn)內(nèi)外壁應(yīng)力變化曲線

圖3 第一次水壓試驗(yàn)月牙肋測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

圖4 第二次水壓試驗(yàn)典型管壁測點(diǎn)內(nèi)外壁應(yīng)力變化曲線

圖5 第二次水壓試驗(yàn)月牙肋測點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

b.鋼岔管環(huán)向分量應(yīng)力均為拉應(yīng)力，管壁監(jiān)測點(diǎn)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第一次水壓試驗(yàn)9.001MPa時(shí)，位于腰線位置，測點(diǎn)號(hào)N-8，應(yīng)力值為417.5MPa，小于許用應(yīng)力；月牙肋監(jiān)測點(diǎn)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第二次水壓試驗(yàn)10.015MPa時(shí)，位于月牙肋內(nèi)緣側(cè)面，測點(diǎn)號(hào)N-11，應(yīng)力值為472.2MPa，小于許用應(yīng)力。

c.鋼岔管內(nèi)壁應(yīng)力值普遍大于同一部位的外壁應(yīng)力值，以測點(diǎn)8為例，在第一次水壓試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測過程中，水壓為9.001MPa時(shí)，內(nèi)壁測點(diǎn)號(hào)N-8的應(yīng)力值為417.5MPa，而同一部位的外壁測點(diǎn)號(hào)W-8的應(yīng)力值為290.7MPa。因此，內(nèi)壁應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的布置很重要，尤其是用于監(jiān)測水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全狀況。

d.第二次水壓試驗(yàn)在第一次水壓試驗(yàn)結(jié)束48h后進(jìn)行，同一測點(diǎn)第二次監(jiān)測應(yīng)力值較第一次監(jiān)測應(yīng)力值有所降低，尤其是出現(xiàn)高應(yīng)力測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)在同一壓力(9.0MPa)下的環(huán)向應(yīng)力分量值的降低率見表3。由表3可知，最大應(yīng)力降低率為22.67%，最小應(yīng)力降低率為3.27%，平均降低率在12.00%以上。第一次水壓試驗(yàn)過程中，壓力為9.001MPa時(shí)，最大應(yīng)力值出現(xiàn)在N-11測點(diǎn)，為468.8MPa，而第二次水壓試驗(yàn)中，壓力為9.007MPa時(shí)，該點(diǎn)的應(yīng)力值降低到420.3MPa，忽略0.006MPa的水壓力差值，該點(diǎn)的應(yīng)力值降低10.35%，可見經(jīng)過第一次水壓試驗(yàn)，部分消除了鋼岔管的峰值應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)重新分布。

表3 兩次水壓試驗(yàn)同一測點(diǎn)應(yīng)力值比較結(jié)果

e.第二次水壓試驗(yàn)壓力10.015MPa時(shí)，各測點(diǎn)的分量應(yīng)力值均小于許用應(yīng)力，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

3 結(jié) 語

a.本次水壓試驗(yàn)最大水壓力10.015MPa是同類電站國內(nèi)最大試驗(yàn)壓力值，本次應(yīng)力監(jiān)測各項(xiàng)創(chuàng)新方法可靠，施工工序合理，應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)采集齊全，及時(shí)動(dòng)態(tài)地反映了各部位的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力監(jiān)測過程中，各測點(diǎn)的應(yīng)力分量值均小于許用應(yīng)力，水壓試驗(yàn)進(jìn)行順利，鋼岔管結(jié)構(gòu)安全可靠，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

b.一般情況下，鋼岔管內(nèi)壁應(yīng)力值大于同一部位的外壁應(yīng)力值，內(nèi)壁應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的布置很重要，尤其是用于監(jiān)測水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)安全狀況。

c.同一壓力值下，同一測點(diǎn)第二次監(jiān)測應(yīng)力值較第一次監(jiān)測應(yīng)力值有所降低，尤其是出現(xiàn)高應(yīng)力測點(diǎn)，可見經(jīng)過第一次水壓試驗(yàn)，部分消除了鋼岔管的峰值應(yīng)力，從而使結(jié)構(gòu)的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)重新分布。