戚 波

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830002)

0 引 言

水壓試驗(yàn)及檢測(cè)是確保水利工程鋼岔管安全運(yùn)行的重要手段,既能用于檢測(cè)焊縫缺陷,又能削弱焊接殘余應(yīng)力。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056-2015),對(duì)于缺乏嚴(yán)格過程控制及未經(jīng)過明確論證的鋼岔管,應(yīng)當(dāng)展開水壓類試驗(yàn)。通常情況下試驗(yàn)在管材預(yù)制廠進(jìn)行,也可以直接在管網(wǎng)安裝施工現(xiàn)場(chǎng)展開,但是此類做法必將占用工期,同時(shí)也面臨實(shí)際操作方面的復(fù)雜性和難度。借助ANSYS有限元軟件可對(duì)不同工況下鋼岔管水壓試驗(yàn)全過程展開模擬分析,掌握鋼岔管在受壓期間的應(yīng)力分布。這一模擬過程借助電腦軟件即可完成,既能有效避免常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)存在的弊端,又能為真實(shí)的水壓試驗(yàn)過程提供更為精準(zhǔn)的測(cè)點(diǎn)布置、試驗(yàn)壓力、應(yīng)力分布等數(shù)據(jù)取值。

對(duì)于水利水電工程中較為常見的埋藏式鋼岔管形式,在設(shè)計(jì)的過程中未考慮到運(yùn)行階段可能承擔(dān)100%內(nèi)水壓力的要求,所以也不能按照規(guī)范直接以內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值的1.25倍為試驗(yàn)壓力,沿用這一思路,具體應(yīng)如何取值,只能借助有限元軟件以及抗力限值展開試驗(yàn)壓力合理范圍的推算?；诖吮尘?文章以新疆阜康抽水蓄能電站為例,對(duì)其引水隧洞鋼岔管原型水壓試驗(yàn)展開有限元模擬,并驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的合理性及試驗(yàn)壓力值的準(zhǔn)確性,可為類似水利工程壓力鋼管水壓試驗(yàn)及質(zhì)量控制提供借鑒參考。

1 工程概況

建設(shè)在新疆昌吉州阜康市境內(nèi)的阜康抽水蓄能電站采用日調(diào)節(jié)形式,為一等大(1)型工程,永久水工建筑物為1級(jí)設(shè)計(jì)等級(jí),次要建筑物為3級(jí),臨時(shí)性水工建筑物為4級(jí);引水上平洞長(zhǎng)約770m,內(nèi)徑6.5m,坡度為5%,采用鋼筋混凝土襯砌,方形段及漸變段襯砌厚度為1.2m,圓洞段襯砌厚度0.7m。引水洞下平段廠上0+75m樁號(hào)處布置鋼岔管。

本工程壓力鋼管采用高強(qiáng)鋼板制造高水頭大HD值岔管,為保證工程運(yùn)行安全可靠,按照有關(guān)規(guī)范,必須展開岔管原型水壓試驗(yàn)。

2 鋼岔管結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.1 計(jì)算原則及參數(shù)取值

阜康抽水蓄能電站引水隧洞鋼岔管與廠房上游邊墻相距64.78m,采用Y型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管,主管及支管直徑為4.0m和2.8m,分岔角為70°,中心高程233.4m,最大公切球半徑2.2677m,最大內(nèi)水壓力水頭為1012m;鋼岔管主體鋼板及肋板厚度分別為58mm和126mm。引水隧洞鋼岔管段圍巖條件良好,結(jié)合《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056-2015)及工程經(jīng)驗(yàn),按照埋藏式岔管設(shè)計(jì);鋼管結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為Ⅰ級(jí),結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1;考慮到運(yùn)行工況為持久工況,故按照極限承載能力設(shè)計(jì);鋼板雙面焊接,焊縫系數(shù)取0.95。鋼材厚度為50～120mm,屈服強(qiáng)度≥655MPa,抗拉強(qiáng)度≥760MPa,伸長(zhǎng)率≥16%,-20℃沖擊功≥27J,180℃冷彎試驗(yàn)彎心直徑為試樣厚度的3倍數(shù)。鋼材抗力限值見表1。

表1 鋼材抗力限值

將鋼材磨損、銹蝕等厚度均考慮進(jìn)去后,該抽水蓄能電站鋼岔管計(jì)算厚度確定為56mm。圍巖的彈性模量確定為18×103MPa,圍巖的變形模量則確定為12.5×103MPa,彈性抗力單位值則按照6.0×103MPa取值。鋼岔管縫隙值與圍巖的單位彈性抗力系數(shù)對(duì)岔管存在明顯影響,故展開縫隙值分別取0mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm以及單位彈性抗力系數(shù)值分別取3.0×103MPa、4.0×103MPa、5.0×103MPa、7.0×103MPa、8.0×103MPa、10.0×103MPa時(shí)的敏感性研究[1]。

2.2 有限元分析

借助ANSYS有限元軟件,通過Cartesian直角坐標(biāo)系進(jìn)行該抽水蓄能電站鋼岔管仿真模型的創(chuàng)建,其中的xOy面主要作為底層水平面,以順著電站所在流域下游向?yàn)閤軸的正向,以垂直于地平面且向上的方向?yàn)閦軸的正向;以主管和支管公切球球心為坐標(biāo)原點(diǎn)。通過有限元模型進(jìn)行內(nèi)水壓力作用和圍巖聯(lián)合承載情況下鋼岔管應(yīng)力和變形狀態(tài)的模擬分析,并研究圍巖單位彈性抗力和縫隙值的敏感性。

引水隧洞鋼岔管管節(jié)母線折角處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的可能性較大,故應(yīng)以該區(qū)域?yàn)槟?yīng)力重點(diǎn)控制區(qū);肋板為偏心受拉件,應(yīng)力最大值通常出現(xiàn)在最大截面內(nèi)側(cè),應(yīng)作為應(yīng)力結(jié)果整理的關(guān)鍵點(diǎn)。在內(nèi)水壓力取1.0MPa的情況下,鋼岔管管壁與月牙肋板最大應(yīng)力值依次為61.03MPa和56.34MPa。

在材料抗力限值內(nèi),鋼岔管結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)過程中承受的內(nèi)水壓力和其結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間存在線性關(guān)系,按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》抗力限值所推算的水壓試驗(yàn)最大壓力為6.09MPa。在水壓試驗(yàn)過程中,應(yīng)結(jié)合《地下埋藏式月牙肋岔管設(shè)計(jì)導(dǎo)則》所規(guī)定的鋼岔管應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果不得超出水壓試驗(yàn)工況下材料抗力限值等要求,進(jìn)行最大壓力的合理確定[2]。

3 原型水壓試驗(yàn)

文章所研究的抽水蓄能電站引水隧洞中主要埋設(shè)3個(gè)鋼岔管,為節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間,可對(duì)3個(gè)鋼岔管同時(shí)實(shí)施水壓試驗(yàn),但是因某些原因,試驗(yàn)過程中只準(zhǔn)備有1套試驗(yàn)悶頭。為在試驗(yàn)期間重復(fù)使用悶頭,只能對(duì)鋼岔管依次展開水壓試驗(yàn),試驗(yàn)過程中通過400mm長(zhǎng)的直段連接悶頭和鋼岔管,試驗(yàn)完成后將焊接影響區(qū)割除以重復(fù)利用。鋼岔管原型水壓試驗(yàn)需要配備18套線性度為0.1%F.S的BX120-3AA型電阻應(yīng)力片和1套DMYB1808型電阻應(yīng)變儀。

3.1 試驗(yàn)要求

該水電站引水隧洞鋼岔管單體水壓試驗(yàn)過程中,鋼岔管分別與1個(gè)大悶頭和2個(gè)小悶頭對(duì)接以形成密閉容器。連接后的鋼岔管結(jié)構(gòu)平置于由[14槽鋼和16工字鋼組合焊接而成的馬鞍形鋼支撐上;鋼支撐底部與20mm厚的鋼板基礎(chǔ)固定;鋼岔管和鋼支撐間鋪設(shè)10mm厚的四氟乙烯板,對(duì)鋼岔管在水壓試驗(yàn)期間的變形起到有效約束。試驗(yàn)開始后1#、2#及3#鋼岔管實(shí)測(cè)水溫分別為11℃、22℃和15℃,環(huán)境溫度為13℃、28℃及19℃,均符合試驗(yàn)規(guī)程。

3.2 試驗(yàn)工況

水電站引水隧洞鋼岔管原型水壓試驗(yàn)數(shù)值模擬過程分兩種情況,一是無支座的簡(jiǎn)化情況(方案1);二是設(shè)置支座的仿真情況,按照鋼岔管和支座的連接方式,又分為完全固結(jié)(方案2)、摩擦系數(shù)取0.25(方案3)、摩擦系數(shù)取0.50(方案4)等接觸情形。不同水壓試驗(yàn)方案下內(nèi)水壓力均為8.55MPa,主管管壁中基本錐厚58mm、過渡錐厚56mm、悶頭段管壁厚54mm,支管管壁中基本錐厚58mm、過渡錐厚54mm、悶頭段管壁厚50mm,肋板斷面最大寬度為850mm,肋板設(shè)計(jì)厚度120mm,肋寬比為0.35;4種試驗(yàn)方案下支座接觸狀態(tài)不同。

3.3 試驗(yàn)步驟

在打開排氣管閥門的情況下向鋼岔管內(nèi)注水,直至水從排氣管溢出時(shí)結(jié)束岔管充水;通過壓力泵向鋼岔管內(nèi)分級(jí)加壓,加壓至預(yù)定壓力等級(jí)后暫停并持續(xù)穩(wěn)壓30min,同時(shí)測(cè)試鋼岔管應(yīng)力水平。測(cè)試結(jié)束后繼續(xù)加壓至最大工作壓力,同時(shí)關(guān)閉進(jìn)水閥門并穩(wěn)壓30min,進(jìn)行鋼岔管應(yīng)力應(yīng)變等的檢測(cè),并檢查管壁焊縫。期間壓力表讀數(shù)必須保持穩(wěn)定,不得出現(xiàn)指針振顫。此后繼續(xù)加壓至最大試驗(yàn)壓力,將進(jìn)水閥門關(guān)閉后穩(wěn)壓30min,測(cè)試應(yīng)力應(yīng)變值;再將壓力回降至最大工作壓力,按要求穩(wěn)壓后全面檢查鋼岔管應(yīng)力應(yīng)變及質(zhì)量。鋼岔管水壓試驗(yàn)加壓過程線見圖1。

圖1 鋼岔管水壓試驗(yàn)加壓與時(shí)間過程線

完成檢測(cè)后按照與加壓相反的次序逐級(jí)減壓,各級(jí)均應(yīng)穩(wěn)壓30min,并展開應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試。按照試驗(yàn)規(guī)程完成鋼岔管水壓試驗(yàn)后,在鋼岔管上端排氣閥門開啟的情況下,通過增益系統(tǒng)溢流控制閥將系統(tǒng)外壓力卸至內(nèi)水自重壓力。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 鋼岔管應(yīng)力

按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》,在極限承載力狀態(tài)下,鋼岔管各點(diǎn)應(yīng)力必須滿足以下公式:

(1)

式中:σ為引水隧洞鋼岔管構(gòu)件作用的設(shè)計(jì)應(yīng)力,N/mm2;σθ為軸向正應(yīng)力,N/mm2;σz為環(huán)向正應(yīng)力,N/mm2,拉應(yīng)力取正值,壓應(yīng)力取負(fù)值;τθx為剪應(yīng)力,N/mm2;σR為引水隧洞鋼岔管構(gòu)件抗力限值,N/mm2。

通過式(1)得出不同水壓試驗(yàn)方案下鋼岔管中面和肋板關(guān)鍵點(diǎn)的Von Mises應(yīng)力值,具體見表2。根據(jù)表中結(jié)果可以看出,不同水壓試驗(yàn)方案下鋼岔管管殼中面Von Mises應(yīng)力最大依次取345.67MPa、343.32MPa、344.02MPa、343.71MPa,取值較為接近,且均出現(xiàn)在主錐管和支錐管母線轉(zhuǎn)折處的B點(diǎn),均未超出445MPa的鋼材局部膜應(yīng)力抗力限值。此外,不同水壓試驗(yàn)方案中測(cè)點(diǎn)A和測(cè)點(diǎn)C的應(yīng)力值也十分接近。而對(duì)于支座附近的管殼D、E測(cè)點(diǎn),除支座完全固結(jié)(即方案2)下管殼應(yīng)力值較低外,其余3個(gè)方案管殼應(yīng)力值均較為接近[3]。

表2 引水隧洞鋼岔管管殼與肋板應(yīng)力 MPa

3.4.2 鋼岔管變形

忽略支座作用的簡(jiǎn)化方案(方案1)中,主管悶頭端主要承受的是全約束形式,故其變位受到很大程度的限制,管殼也僅向下游變位;而其余方案因施加支座受力,無約束約束,故管殼上下游向均存在變位。但是不同水壓試驗(yàn)方案下鋼岔管因內(nèi)水壓力作用的總伸長(zhǎng)量較為接近,4種方案依次為7.759mm、7.476mm、7.852mm、7.818mm,方案2鋼岔管總伸長(zhǎng)量最小;接觸方案中方案3和4鋼岔管總伸長(zhǎng)量較為接近,意味著支座對(duì)鋼岔管水壓試驗(yàn)變形的控制作用較為有限。

3.4.3 支座摩擦系數(shù)的影響

通過水壓試驗(yàn)無法得出準(zhǔn)確的鋼岔管和支座的摩擦系數(shù)值,既有研究成果和工程實(shí)踐中對(duì)鋼岔管應(yīng)力受摩擦系數(shù)影響的研究也寥寥無幾。此處通過有限元方法仿真研究支座摩擦系數(shù)對(duì)鋼岔管應(yīng)力的敏感性,并評(píng)估支座摩擦系數(shù)影響鋼岔管應(yīng)力的程度。

根據(jù)有限元分析結(jié)果繪制支座摩擦系數(shù)分別取0、0.25、0.5及∞情況下鋼岔管各測(cè)點(diǎn)處的Von Mises應(yīng)力與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線。根據(jù)分析,在支座和管殼接觸處當(dāng)摩擦系數(shù)取∞時(shí),應(yīng)力變化較為明顯,這種情況相當(dāng)于將支座和鋼岔管牢固焊接,這在水壓試驗(yàn)中出現(xiàn)的可能性非常小;而其余情況下,支座和鋼岔管管殼接觸面摩擦系數(shù)取值大小均對(duì)管殼應(yīng)力無較大影響。基于此,在文章所實(shí)施的原型水壓試驗(yàn)中,應(yīng)用特別措施控制和減小支座和鋼岔管接觸面摩擦系數(shù)的做法實(shí)數(shù)沒有必要,支座可憑借其自身強(qiáng)度滿足水壓試驗(yàn)要求[4]。

4 結(jié) 論

綜上所述,阜康抽水蓄能電站引水隧洞鋼岔管原型水壓試驗(yàn)過程中,管體無任何焊縫開裂及滲漏現(xiàn)象出現(xiàn),表明鋼岔管質(zhì)量較為可靠;水壓試驗(yàn)期間,鋼岔管位移形變不大,剛性良好,且鋼岔管結(jié)構(gòu)在最大試驗(yàn)壓力下的應(yīng)力值接近材料抗力限值,存在較大的安全裕度;通過原型水壓試驗(yàn)亦使焊接殘余應(yīng)力得到一定釋放。因受到鋼岔管組裝焊接誤差的作用,殘余應(yīng)力分布無規(guī)律性,為降低初始?xì)堄鄳?yīng)力,必須采取有效措施提升鋼岔管組裝焊接精度;鋼岔管腰部和肋板承受較大的應(yīng)力值,故還應(yīng)在該抽水蓄能電站日常運(yùn)行過程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。