超高水頭水電站岔管布置及水壓試驗

張金斌 謝麗華 成 莉

（浙江省水利水電勘測設計院 杭州 310002）

1 前言

云南省多底河電站系目前已建的亞洲第三高水頭的水電站，電站位于在云南省楚雄州大姚縣三臺鄉境內金沙江一級支流多底河中上游，壩址位于流域中段三臺鄉多底河村下游約1km，壩址以上集水面積為 94km2。水庫正常蓄水位為2115.0m，設計洪水位（P=2%）為2116.0m；校核洪水位（P=0.5%）為 2117.19m，壩頂高程2118.0m，水輪機安裝高程為1138.2m，正常蓄水位靜水頭為976.8m。電站裝機容量2×20MW。工程總體布置為：在多底河干流上游修建攔河壩，由岸塔式進水口將水流引入發電引水隧洞，隧洞末端設置調壓井，水流再經壓力鋼管進入水輪發電機組，按一管兩機布置。

壓力管道順水流方向依次由洞內外包混凝土管、洞內明管、露天明管、露天外包混凝土鋼管、下部洞內外包混凝土管組成。壓力管道主管直徑D=1.2～1.0m，主管管壁厚8～34mm，材料根據不同水頭段分別采用16MnR 鋼和15MnNbR鋼。管線水平投影全長（調壓井中心至岔點）為1987.25m，實際長度為2263.4m。

2 岔管布置及板材選擇

2.1 岔管布置方案

按照電站裝設兩臺機方案，岔管按Y 型對稱岔管對稱布置。岔管采用60°分岔角的Y 型岔管，主管內徑1000mm，主錐岔連接管后的鋼管內徑650mm，岔管公切球內徑1300mm，岔管處設計靜水頭977.0m，岔管HD 值達1270m2，岔管HD值較大。岔管部分的平面布置見圖1。

圖1 岔管平面布置圖

2.2 岔管結構分析

在初步設計完成后，對岔管采用ALGOR FEAS大型有限元通用程序進行結構分析，岔管模型圖及應力云圖見圖2—圖6.

圖2 岔管模型圖

圖3 運行工況外表面應力σv

圖4 運行工況內表面應力σv

圖5 水壓試驗工況外表面應力σv

圖6 水壓試驗工況肋板應力σv

（1）根據有限元計算,主要應力計算結果見表1：

表1 應力計算結果匯總表

表中σv按下式計算：

（2）計算結果表明，各工況應力能滿足要求。

（3）由應力圖可知，在主錐與支錐相交處及兩個支錐相交處有一些應力集中現象。

（4）本岔管的計算結果在Z 向具有良好的對稱性，岔管本體部位應力情況復雜多變，遠處則應力分布趨于均勻，說明管長已取足夠長。

（5）岔管除近主錐與支錐相交處，應力分布較均勻。說明邊界約束影響較小，計算范圍合理。

2.3 岔管材料的選擇

通過對國內外多種適用鋼材進行技術、經濟的綜合分析比較，并結合壓力鋼管道下段所采用15MnNbR 鋼板，最終決定岔管采用強韌性優良、屈強比適中、抗時效性良好、彎曲性能良好、焊接裂紋敏感性低的 15MnNbR 板材。尤其對于110mm 厚的肋板，要求檢驗厚度方向性能，并符合Z25 要求。岔管板材的具體參數為：岔管肋板厚度110mm，各管節壁厚34～52mm。

3 岔管焊接試驗及焊縫處理

3.1 岔管的焊接試驗及工藝

由于多底河水電站采用的15MnNbR 容器鋼首次用于水電站壓力管道，沒有施工經驗。15MnNbR 容器鋼為一種高韌度的正火容器鋼，其屈服強度為 370MPa，抗拉強度約為 520～650 MPa。其碳當量較高，可焊性較低，焊接時需要嚴格控制焊前預熱溫度、焊后后熱溫度、保溫時間、層間溫度及線能量輸入等工藝參數，否則易產生焊接缺陷。本岔管體型復雜，為了保證電站壓力管道的安全運行,預先進行了板厚28、34mm焊接工藝評定試驗和焊接性能試驗，確保了焊接質量。

最終采用以下焊接工藝：焊前應清理坡口及邊緣處油銹污物；焊前預熱溫度為100～120℃；焊接后作“除應力退火”后熱處理；后熱溫度為250～350℃，保溫2 小時緩冷；焊接層溫控制在100～150℃；反面采用碳棒氣刨清根后按相同工藝再焊。焊縫返修微小缺陷處理更要求嚴格執行焊前預熱、焊后后熱及保溫等工藝措施，防止缺陷出現。

3.2 岔管焊縫的無損檢驗

在生產性施焊之前，為了確保該工程的焊接質量，對材料進行了焊接性能試驗，通過多組試驗，探索易產生冷裂紋的焊接工藝，然后進行施工。

制定了嚴格的無損檢驗標準，即所有焊縫作100%外觀檢查后，按GB11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級》進行100%超聲波探傷，并按GB3323《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》進行了50%的射線探傷抽檢，抽檢部位應覆蓋所有焊縫交叉部位。所有焊縫表面均進行50%滲透探傷抽檢。焊縫返修部位采取同時進行超聲波探傷、射線探傷及滲透探傷復驗。

3.3 消應處理

因岔管采用15MnNbR 容器鋼，鋼材強度較高，施焊時可能出現較高的焊接應力，按規范要求岔管等形狀特殊的構件應進行消除應力處理。

在設計時采用不等板厚設計，施工中嚴格控制其熱加工成型管節鋼板厚度及焊接工藝，同時考慮到岔管制作完成后，將進行原型水壓試驗，在這一過程中焊接的峰值應力也會削弱。焊接完成后采用無損探傷檢查及排查，發現有局部焊接缺陷，及時進行處理，最后進行岔管消應處理。

4 岔管原型水壓試驗

4.1 試驗目的

鑒于本工程首次將15MnNbR 鋼用于壓力管道岔管的制作,為了檢查岔管結構的整體安全度，考核岔管材料及焊接質量，并對岔管結構設計進行合理性評價，按照規范要求，對岔管原型進行水壓試驗。同時，通過水壓試驗時的同步應力監測，了解岔管各部位特別是一些重要部位的應力分布及變形情況，為電站壓力管道的安全運行提供技術保障，也為今后其它工程提供技術依據及經驗。

4.2 水壓試驗壓力的選定

本工程岔管按不計及圍巖抗力的地下埋藏式岔管設計，水壓試驗為明岔管水壓試驗。鑒于兩者在工作狀態上的不同，采用岔管設計工作承壓11.72MPa 的1.25倍(即14.72MPa)作為最大試驗壓力，同時控制試驗中最大應力值不超過220MPa。

4.3 岔管原型應力監測布置

進行岔管水壓試驗時，同步采用電阻應變計進行了岔管原型應力監測。應變計測點布置如圖7 所示。岔管外壁及月牙肋加強梁的主應力方向比較明確，岔管外壁布設6 個應變花測點，月牙肋1/4 跨度及中部均并行布設單向應變計。

圖7 岔管水壓試驗應力監測應變片布置

X為沿岔管內水流的方向，Y為沿圓周方向。

根據廣義虎克定律，應變與應力的物理關系如下：

單向應變計：

直角三向應變：

進行岔管水壓試驗時，采用無線應變測量系統實時量測并記錄各測點的應變值，經過數據分析得到各測點應力數值。

4.4 水壓試驗過程

在岔管卷制焊接完成后,所有焊縫經嚴格無損檢測符合驗收要求后，岔管進行消應處理。岔管采用圓型堵頭封閉（堵頭封閉焊縫經超聲波探傷合格），開始水壓試驗。

岔管設計工作承壓11.72MPa，設計水壓試驗最大壓力14.7MPa。水壓試驗加載及卸載步驟：

水壓試驗在岔管注滿水之后，先采用電動壓力泵機打壓至約2.0MPa 后，采用手動試壓泵緩慢升壓。在前三個持壓階段，保壓30min，在后兩個持壓階段保壓15min。岔管水壓試驗監測應力見表2。

表2 岔管水壓試驗監測應力（MPa）

4.5 試驗結論

從表2 分析比較可以看出：

（1）岔管外壁的應力測試數據，符合岔管在水壓試驗受力狀態下應力分布的規律，并與岔管內水壓力呈線性關系。

（2）岔管實測最大應力210MPa，小于材料容許應力，岔管受力有較大的安全裕度。

5 結語

多底河水電站已經順利建成并發電,壓力鋼管也已正常投入運行。 實踐證明：根據樞紐布置設計的岔管體型合理；采用結構力學法進行應力分析和控制性定量結構計算,可以滿足設計要求；15MnNbR 容器鋼在岔管應用中效果良好。

（1）在岔管水壓試驗的各保壓階段，水壓表均有效持壓；岔管及圓形堵頭各處未發現任何滲漏現象及其它異常現象。

（2）岔管水壓試驗原型應力觀測表明：應力數據符合岔管在水壓試驗受力狀態下的應力分布規律，并與岔管內水壓力呈線性關系。岔管實測最大應力210MPa 小于容許應力，岔管受力有較大的安全裕度。

（3）岔管重復水壓試驗，所有試驗數據均能良好復現，無任何異常；水壓試驗卸載后，經對岔管焊縫復驗UT 探傷，未發現缺陷擴展的跡象。

1 DL/T5017—2007 水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范.北京：中國電力出版社.2007。

2 余建華.采用15MnNbR 容器鋼制造超高水頭電站特型鋼岔管的工程實踐.華電技術，2011.

3 電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊：金屬結構（一）、（二）.北京：水利電力出版社，1998.

4 劉細龍，陳福榮.閘門與啟閉設備.北京：中國水利水電出版社，2003.

5 余建華.高厚度15MnNbR 鋼的焊接.浙江水利水電專科學校學報，2010（9）.