中圖分類號(hào) TQ051.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B 文章編號(hào)0254-6094（2025）03-0509-06

風(fēng)洞主洞體設(shè)備一般為鋼結(jié)構(gòu)形式的長軸線、變截面、多開孔、高壓力、高精度的非標(biāo)承壓設(shè)備。對(duì)主洞體進(jìn)行整體液壓試驗(yàn)，可以對(duì)風(fēng)洞設(shè)計(jì)、制造和安裝質(zhì)量進(jìn)行綜合性檢查，從而檢驗(yàn)洞體剛度和基礎(chǔ)沉降情況，有利于消除焊接應(yīng)力。風(fēng)洞一般由若干部段組成，其中穩(wěn)定段為雙層結(jié)構(gòu)，其夾層分布較多縱向、環(huán)向肋板，液壓試驗(yàn)時(shí)內(nèi)部空氣不易排出，因此極易造成安全隱患；收縮段出口為非標(biāo)大型法蘭，密封困難，是制約液壓試驗(yàn)成敗的重要因素。筆者根據(jù)某風(fēng)洞建造的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)大型風(fēng)洞設(shè)備液壓試驗(yàn)過程中一些關(guān)鍵技術(shù)問題和注意事項(xiàng)進(jìn)行分析研究，以保證液壓試驗(yàn)技術(shù)方案安全可行。

1大型風(fēng)洞設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以某大型風(fēng)洞設(shè)備為研究對(duì)象，其主回路軸線的尺寸為 96.5m×19m （長 × 寬），承壓殼體最大板厚 50mm ，最大直徑 5.8m ，部件的最大板厚為120mm ，設(shè)計(jì)壓力 1.4MPa ，總質(zhì)量 2205t 。

1.2 基本結(jié)構(gòu)

風(fēng)洞為全鋼結(jié)構(gòu)非標(biāo)壓力容器回流式臥式結(jié)構(gòu)（圖1），一般包括穩(wěn)定段、收縮段、引射器、擴(kuò)散段、拐角段、回流段、排氣消聲段及主進(jìn)氣管路等。其中穩(wěn)定段為雙層殼體結(jié)構(gòu)，外殼承壓，內(nèi)殼導(dǎo)流。外殼分為入口段承壓殼體、錐段承壓殼體和直筒段承壓殼體。雙層殼體間采用多組縱向、環(huán)向肋板連接，外承壓殼體設(shè)有內(nèi)外人孔。收縮段為雙層焊接結(jié)構(gòu)，外殼承壓由直殼體和圓變方結(jié)構(gòu)組成，內(nèi)殼為三元收縮型面，內(nèi)外殼體間分布多組縱向、環(huán)向肋板構(gòu)成型面框架結(jié)構(gòu)。

1.3 制造工藝

風(fēng)洞作為一種測(cè)試物體在風(fēng)中運(yùn)動(dòng)特性的試驗(yàn)設(shè)備，其制造工藝集成了設(shè)備制造、電儀、測(cè)控、液壓等多個(gè)專業(yè)，其承壓洞體的制造質(zhì)量是保障風(fēng)洞質(zhì)量安全的關(guān)鍵。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)劃，首先對(duì)風(fēng)洞進(jìn)行部段劃分，依據(jù)部段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行制造工藝的設(shè)計(jì)。針對(duì)穩(wěn)定段的雙層殼體即外殼承壓內(nèi)殼成型，采用三維激光掃描工藝保證雙層殼體的同軸度偏差，夾層支撐肋板采用增量方式進(jìn)行測(cè)量精磨，從而保證內(nèi)殼體的型面精度。針對(duì)收縮段雙層殼體的三維收縮曲面（圖2），對(duì)內(nèi)外層殼體采用定制模具分塊分單元進(jìn)行壓制，采用三維激光跟蹤儀進(jìn)行掃描并與理論模型進(jìn)行比對(duì)。各部段單元件組焊完成后經(jīng)過無損檢測(cè)合格后進(jìn)行總體組裝或機(jī)械加工，各部段總裝為整體洞體后進(jìn)行液壓試驗(yàn)以進(jìn)一步驗(yàn)證制造質(zhì)量。

2大型風(fēng)洞液壓試驗(yàn)基本要求

總體要求如下：

a.液壓試驗(yàn)前風(fēng)洞承壓殼體、承壓管道以及與其焊接的部件制造、安裝完畢進(jìn)行水壓試驗(yàn)后，原則上不允許再進(jìn)行承壓殼體及管道上的大規(guī)模施焊；b.洞體所有熱處理和無損檢測(cè)要求的部位檢測(cè)已完成，且結(jié)果均合格；c.合攏焊縫兩側(cè) 50mm 范圍內(nèi)暫時(shí)不做防腐，便于水壓過程中對(duì)合攏縫進(jìn)行檢查；d.完成風(fēng)洞承壓殼體應(yīng)力應(yīng)變有限元分析計(jì)算，確定應(yīng)力集中點(diǎn)和薄弱位置；e.完成液壓試驗(yàn)技術(shù)方案的審批和安全技術(shù)交底；f.明確試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)各參與人員職責(zé)并完成必要技能培訓(xùn)考核；g.完成各封堵口部位的堵板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果滿足試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)需具備的條件如下：a.拆除所有雙向、單向滑動(dòng)支座上的定位連接板，保證滑動(dòng)支座處于滑動(dòng)狀態(tài)，在試驗(yàn)過程中能夠自由滑動(dòng)；b.完成臨時(shí)封堵口蓋部位的堵板安裝、密封，檢查各密封點(diǎn)密封情況保證密封良好；c.設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)和位移觀測(cè)點(diǎn)，壓力表、測(cè)量器具已檢定合格且在有效期內(nèi)；d.落實(shí)水源，保證水質(zhì)、水溫滿足液壓試驗(yàn)要求；e.試驗(yàn)設(shè)備完成調(diào)試并確保完好，進(jìn)水口、溢水口、水位觀測(cè)管連接可靠，排氣口已打開。合格指標(biāo)如下：a.承壓洞體殼體和焊縫無滲漏；b.承壓洞體殼體無可見變形；c.承壓洞體殼體在試驗(yàn)過程中無異常響聲；d.承壓殼體內(nèi)環(huán)向薄膜應(yīng)力值應(yīng)不超過試驗(yàn)溫度下材料屈服點(diǎn)（殼體材質(zhì)為Q345R）的 90% 與圓筒焊接接頭系數(shù)的乘積即 280MPa ，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警值可設(shè)定為 220MPa e.達(dá)到試驗(yàn)壓力 1.75MPa 保持規(guī)定時(shí)間后無泄漏。

3大型風(fēng)洞液壓關(guān)鍵技術(shù)

3.1 堵板制造

3.1.1 堵板概況

水壓堵板與矩形法蘭內(nèi)圈連接，采用雙排螺栓連接，外圈96個(gè) M30 螺栓，內(nèi)圈92個(gè)M36螺栓，堵板材料是厚為 120mm 的Q345B，加強(qiáng)筋采用50mm （厚） ×300mm （高）的均布加筋組合，同時(shí)為減小螺栓載荷，在水壓堵板內(nèi)表面四周均布24個(gè)L形卡箍（圖3），水壓堵板結(jié)構(gòu)型式如圖4所示。

3.1.2 堵板密封及加固工藝

密封用堵板為薄板加肋結(jié)構(gòu)，采用外形尺寸為 2700mm×7100mm×120mm 的平板作為法蘭面，焊接橫向和縱向肋板形成整體框架，提高堵板整體剛性。在平板密封端面加工 3mm 高的臺(tái)階作為密封面。平板上設(shè)置兩圈 ?36mm 和 ?42mm 的孔作為螺栓連接孔，連接孔位置與收縮段出口內(nèi)法蘭上連接孔保持一致。其中，長軸中心線彎曲應(yīng)力較大處應(yīng)進(jìn)行筋板加密。為保證堵板密封性能，堵板密封墊片壓緊部位進(jìn)行機(jī)加工保留 4～6mm 凸臺(tái)，與法蘭密封凹槽形成凹凸面配合，可壓緊墊片提高堵板密封性能，如圖5所示。

為了實(shí)現(xiàn)堵板內(nèi)表面四周均布的24個(gè)L形加強(qiáng)板的安裝、保護(hù)密封條，加強(qiáng)板分為上、下兩部分，下半部分在堵板制作時(shí)按照設(shè)計(jì)位置完成焊接并同堵板一起進(jìn)行機(jī)加。堵板安裝完成且通過低氣壓檢漏合格后，人員通過側(cè)邊人孔通道進(jìn)人洞體內(nèi)部，將加強(qiáng)板上半部分與下半部分進(jìn)行對(duì)接焊，并將上半部分與收縮段法蘭背面的連接采用楔塊進(jìn)行預(yù)緊，以便于在發(fā)生泄漏時(shí)進(jìn)行螺栓緊固，楔塊安裝時(shí)應(yīng)從上往下插入以防止脫落。

內(nèi)圈螺釘受力較大，外圈螺釘受力較小，因此在堵板受壓發(fā)生彎曲后，內(nèi)圈螺釘首先受力，此時(shí)螺釘孔螺紋深度應(yīng)滿足連接要求，螺釘旋入長度不小于 1.5D（D 為螺釘直徑）。堵板連接螺釘?shù)燃?jí)為8.8級(jí)，抗拉強(qiáng)度約 800MPa ，屈服強(qiáng)度約640MPa ，法蘭基體材料為Q345R鋼板，抗拉強(qiáng)度480MPa ，屈服強(qiáng)度 285MPa ，兩者強(qiáng)度值相差較大，基體材料強(qiáng)度偏弱，因此在螺紋應(yīng)力較大時(shí)，基體上沉孔內(nèi)螺紋易發(fā)生破壞，為保護(hù)基體上內(nèi)螺紋，在法蘭基體上增加92個(gè)M64螺套。

3.2內(nèi)腔排氣及積液處理方法

穩(wěn)定段為整個(gè)洞體水壓試驗(yàn)的最高點(diǎn)且內(nèi)部環(huán)、縱向筋板較多，水壓試驗(yàn)時(shí)容易形成封閉的氣囊區(qū)間，造成升壓速度緩慢同時(shí)也增加試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。此外水壓試驗(yàn)后穩(wěn)定段又處于試驗(yàn)系統(tǒng)的最低位置，環(huán)、縱向筋板形成的區(qū)間造成積液不能完全排出。為解決以上問題，在制作、安裝穩(wěn)定段環(huán)向筋板最高、最低處時(shí)預(yù)先制作 20mm 孔，保證各空格區(qū)間連通便于氣體、積液排出。另外，針對(duì)個(gè)別密閉區(qū)間高于排氣口的位置，需提前設(shè)置排氣管將封閉空間的氣體引出。

3.3 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置

穩(wěn)定段、收縮段因其負(fù)荷最大且為液壓試驗(yàn)的最重要部段，因此作為監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，選擇穩(wěn)定段、收縮段基礎(chǔ)的下支座焊接觀測(cè)釘。在注水前、注水至1/4、注水至1/2、注水至3/4、滿水、加壓至設(shè)計(jì)壓力、加壓至試驗(yàn)壓力、降壓至設(shè)計(jì)壓力、放水后 24h 分別進(jìn)行沉降觀測(cè)。每個(gè)注水階段需靜止15min 以上方可進(jìn)行觀測(cè)記錄，為了便于洞體兩側(cè)的觀測(cè)將基準(zhǔn)點(diǎn)提前移至不易產(chǎn)生沉降的位置，并用紅色油漆做出標(biāo)記，在兩側(cè)各架設(shè)一臺(tái)水準(zhǔn)儀（DS05）即可測(cè)量所有測(cè)量點(diǎn)。

3.4 位移監(jiān)測(cè)

選擇收縮段出口法蘭位置、收縮段出口法蘭堵板中心和4個(gè)拐角共6處作為位移變形監(jiān)控點(diǎn)。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用百分表，分別在注水前、注水至1/4、注水至1/2、注水至3/4、滿水、每個(gè)加壓階梯、降壓至設(shè)計(jì)壓力、降壓至 0MPa 的每個(gè)區(qū)間進(jìn)行觀測(cè)、記錄。最大位移允許值由設(shè)計(jì)單位計(jì)算確定并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

3.5 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)過程中為確保設(shè)備安全，檢驗(yàn)風(fēng)洞洞體的制作、安裝質(zhì)量，驗(yàn)證風(fēng)洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，對(duì)風(fēng)洞承壓殼體重點(diǎn)位置的應(yīng)力需進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)前對(duì)承壓殼體應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上確定殼體的危險(xiǎn)區(qū)域以及制作、安裝過程中可能存在質(zhì)量薄弱的部位設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一般為截面結(jié)構(gòu)突變位置、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的穩(wěn)定段和收縮段位置、探傷結(jié)果差的承壓焊縫位置及最終的合攏縫位置等，最大充許應(yīng)力值由設(shè)計(jì)單位計(jì)算確定并提前給出梯度值，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力值與每一梯度的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

3.6聲發(fā)射監(jiān)測(cè)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種無損檢測(cè)的新技術(shù)，洞體在加壓過程中受到內(nèi)壓作用在質(zhì)量的薄弱位置應(yīng)力集中處會(huì)優(yōu)先產(chǎn)生塑性變形或者在缺陷擴(kuò)展處有聲發(fā)射的產(chǎn)生，從而進(jìn)行能量釋放。使用聲發(fā)射監(jiān)聽設(shè)備可以更加準(zhǔn)確地獲得其內(nèi)部動(dòng)態(tài)缺陷對(duì)洞體結(jié)構(gòu)完整性的影響。在升壓、保壓、降壓聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過程中嚴(yán)禁敲擊殼體，避免其他物體與殼體碰撞，暫停周圍無關(guān)的施工活動(dòng)保持現(xiàn)場(chǎng)安靜。

3.7 升降壓試驗(yàn)

穩(wěn)定段、收縮段內(nèi)部縱、環(huán)向筋板較多，為防止空氣排出不徹底，在正式加壓前先進(jìn)行低氣壓排氣。啟動(dòng)試壓泵打開加壓閥門對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行整體分階段加壓，加壓速度小于 0.05MPa/min ，當(dāng)加壓至 0.20MPa 時(shí)打開穩(wěn)定段排氣口閥門進(jìn)行帶壓排氣，壓力降至零時(shí)關(guān)閉閥門，多次反復(fù)進(jìn)行直至穩(wěn)定水柱噴出。

再次啟動(dòng)試壓泵進(jìn)行加壓，在加壓過程中需按照以下程序及梯度進(jìn)行逐步升壓：

a. 0.00～1.12MPa （加壓至設(shè)計(jì)壓力的 80% ）壓力區(qū)間內(nèi)以 0.28MPa 為加壓梯度逐步升壓；b. 1.12～1.40MPa （設(shè)計(jì)壓力的 80%～100% 壓力區(qū)間內(nèi)以 0.14MPa 為加壓梯度逐步升壓；C. 1.40～1.75MPa （設(shè)計(jì)壓力到試驗(yàn)壓力）壓力區(qū)間內(nèi)以 0.07MPa 為加壓梯度逐步升壓。

加壓過程中，每一壓力梯度至少保持 10min ，檢查洞體承壓殼體開孔法蘭、焊縫和法蘭堵板有無泄漏現(xiàn)象，記錄各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

降壓按照升壓相反的程序逐步降壓，降壓至設(shè)計(jì)壓力時(shí)保壓 30min 檢查各監(jiān)測(cè)點(diǎn)、承壓焊縫和法蘭口有無滲漏情況

4試驗(yàn)結(jié)果

在液壓試驗(yàn)過程中通過百分表對(duì)收縮段堵板變形量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到堵門與法蘭密封面間變形量為 0.2mm ，滿足密封變形要求，堵板無異常較大變形和泄漏情況。

針對(duì)夾層結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生積液和不便排氣的問題，通過設(shè)置貫通孔和排氣管措施，在加壓初期通過帶壓排氣的措施進(jìn)一步降低洞體內(nèi)部空氣含量，保證試驗(yàn)的安全性，在試驗(yàn)過程中升壓速度需滿足試驗(yàn)要求。

在洞體穩(wěn)定段、收縮段的支座位置共設(shè)置8處沉降觀測(cè)點(diǎn)，分別在注水和加壓的各個(gè)階段進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果列于表1。可以看出，各測(cè)點(diǎn)沉降值及平均整體沉降值均符合試驗(yàn)要求，基礎(chǔ)沉降值不大于 5mm ，滿足設(shè)計(jì)要求。

為了保證試驗(yàn)的安全性和設(shè)備自身的安全性，通過在洞體、法蘭口堵板和設(shè)計(jì)、制作的薄弱環(huán)節(jié)位置各監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置百分表，監(jiān)測(cè)注水和試驗(yàn)階段的位移數(shù)據(jù)將這些數(shù)據(jù)匯總于表2，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)位移監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值基本一致，符合設(shè)計(jì)要求。

為了保證設(shè)備的安全，應(yīng)力預(yù)警值設(shè)定為220MPa ，通過各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果表明（表3）

應(yīng)力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值基本一致，符合設(shè)計(jì)要求且監(jiān)測(cè)值均不大于材料屈服點(diǎn)預(yù)警值。

通過對(duì)風(fēng)洞設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜的位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)即聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用，監(jiān)測(cè)材料在液壓作用下受力或裂紋擴(kuò)展時(shí)發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，在整個(gè)液壓試驗(yàn)加壓和泄壓過程中數(shù)據(jù)采集結(jié)果顯示無應(yīng)力波產(chǎn)生。

在試驗(yàn)加壓過程中通過采用多級(jí)加壓的方式逐步達(dá)到試驗(yàn)壓力，對(duì)各密封口、承壓縫處進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果均顯示無滲漏、無異常響聲，且在規(guī)定保壓時(shí)間內(nèi)無壓力下降，滿足液壓試驗(yàn)要求，試驗(yàn)合格。

5結(jié)束語

通過對(duì)大型風(fēng)洞液壓試驗(yàn)過程中需要注意的關(guān)鍵性問題進(jìn)行闡述，有效地解決了施工中遇到的難題。尤其是對(duì)大口徑非標(biāo)堵板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)提出了設(shè)置加強(qiáng)板和增加螺套的方法，有效解決了密封問題。針對(duì)洞體內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致不易排氣和排液的問題，不僅從制作工藝方面進(jìn)行解決，同時(shí)針對(duì)自行排氣困難的部位提出了增設(shè)導(dǎo)管和在升壓過程中連續(xù)排氣的方法進(jìn)行解決。在試驗(yàn)過程中為了保證設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全及試驗(yàn)安全，通過應(yīng)力分析設(shè)定安全等級(jí)梯度，采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)雙重技術(shù)手段，從而確保液壓試驗(yàn)成功實(shí)施。

（收稿日期：2024-06-06，修回日期：2025-05-07）