大型鋼岔管現場原位水壓試驗

張育林 周 林

中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710016

前言

隨著材料工業的不斷發展，水電站為節約投資，越來越多的采用集中供水或分組供水，岔管的使用越來越廣泛，并且所設計的HD值也越來越大。超大型岔管制造的配料、成型、組裝、焊接、消應、壓水試驗等工藝條件及加工設備的受限等原因，國內多數超大型岔管中心體，一般采用整體進口或由專業的設備制造公司制造。岔管的中心體在工廠進行水壓試驗，其它管節在現場進行組焊，不參加水壓試驗。

本工程距中心城市遠，對外交通道路條件差，岔管整體加工試驗后運輸至工地安裝的可能性較小?？紤]技術的可能性、經濟的合理性、工程工期的要求等諸多因素，為解決整體運輸岔管的難題，根據工地現場場地、起吊設備、運輸道路的條件，擬定在安裝原位進行岔管的組裝、焊接和水壓試驗等工作。在原位水壓試驗中，用百分表監測岔管變形的方法，計算岔管的內應力，方法簡單可行。本工程現場原位水壓試驗在高強鋼超大型岔管的水壓試驗方面，具有一定的代表性，值得研究和總結，供類似工程借鑒。

1 工程概況

泗南江水電站位于云南省思茅地區墨江哈尼族自治縣那哈鄉、壩溜鄉和泗南江鄉境內。電站以發電為主，采用跨流域、混合式開發，總裝機201MW。調壓室后的壓力管道為埋藏式鋼襯鋼筋混凝土結構，圓形斷面，采用“一管三機”集中供水方式。

主管直徑Φ4000mm，長928.428m。支管直徑Φ2000mm，總長49.935m。主、支岔管的結構型式均采用月牙岔管。主岔管的公切球直徑Φ4488mm，設計水頭420m，HD值1885mm，重37.95噸。月牙肋板厚δ100mm，管壁厚50mm，材料采用WHT590高強鋼。岔管安裝試驗悶頭后結構如圖1所示。岔管特性如表1所示。

圖1 岔管水壓試驗測點布置圖

2 試驗目的與要求

2.1 試驗目的

本工程壓力鋼管采用的WHT590高強鋼板首次應用于高水頭壓力管道岔管，按照設計及規范要求，進行岔管原型水壓試驗，目的是：①以超載內壓暴露結構缺陷，檢查結構整體安全度；②緩慢加載條件下，缺陷尖端發生塑性變形，使缺陷尖部鈍化，卸載后產生預壓應力；③焊接殘余應力和不連續部位的峰值應力，水壓試驗時可能達到屈服，退壓后得以削減。④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有力保證。⑤通過水壓試驗過程中整體變形情況，計算岔管在過載情況下的內應力，從而知道岔管的安全余量。

2.2 試驗內容及要求

按表2中的數值，緩慢對岔管進行加壓。每達到一個壓力值后，檢查岔管有無異常情況，記錄壓力值和岔管變形值。

表2 分階段加壓值

根據岔管在不同荷載情況下的變形，計算岔管的內應力值，掌握超載125%狀況下岔管內應力的大小、超載運行工況下的安全余度。

水壓卸壓后對焊接殘余應力的峰值得以削減。

水壓試驗過程必須做到：①試驗數據記錄齊全、真實、準確、規范；②在試驗水頭下保壓5～10分鐘，壓力穩定；③在設計水頭下保壓30分鐘，壓力穩定，對應變測量完整。

3 試驗工藝及流程

3.1 試驗方案

主岔管與支岔管連接成整體進行水壓試驗。充水前安裝好悶頭，充水、排氣、加壓管路，加壓泵，應變測量儀器，除支墩外，解除岔管的所有約束。如圖1和圖2。

圖2 岔管加壓前

3.2 悶頭及錐管

3.2.1 悶頭：

已有 4個半圓球形悶頭，Φ2430mm，壁厚δ＝60mm，材質SM570TQT。主管直徑D0=4046mm；試驗壓力P=5.25MPa；fs取380MPa；按GB150-1998《鋼制壓力容器》部分無損檢測的單面焊焊接接頭系數n=0.8，進行主管悶頭的強度校核：

式中：

h—悶頭直邊量；

c—考慮鋼板的負偏差和加工成型時的減薄量等形成的附加量。

經計算，主管悶頭的壁厚δ≥36mm即可，滿足要求。支管悶頭的壁厚比主管小，采用相同悶頭滿足要求。

3.2.2 連接錐管：

悶頭與主管之間用錐管連接、與支管之間用倒錐管連接。按DL/T5141—2001《水電站壓力鋼管設計規范》漸縮管的規定，按主管等強度設計，利用加工岔管的余料及邊角料加而成。

表1 岔管特性表

3.3 應變測點布置和測量

①應變測點重點放在折角區、岔管管殼區、月牙肋板、主支管軸線、主管標準圓斷面等，測點成對布置，以便準確測出水壓試驗過程中的應變量，避免將岔管試驗過程中的位移誤作岔管的變形。如圖1所示。

②確保百分表與岔管間完全分離，同時要保證百分表的量程足夠。

③百分表的布置必須合理、充分。必要時在同一個測點布置基礎分離的備用（校正）表，進行相互校正。

④應變用百分表測量，目視讀值。

⑤針對本工程的具體結構，提前應力與應變的關系曲線，讀出百分表的應變值，便可立即查出應力值。

3.4 水壓試驗步驟

①向岔管內充水至岔管內的水從排氣管溢出，充水結束；②用加壓泵向岔管加壓至P1壓力時，穩壓10分鐘、檢查；③無異常情況下，按此循環加壓至P3壓力值，保壓30分鐘，對岔管全面檢查，用05kg～1.0kg木錘或小鐵錘在焊縫兩側15mm～20mm處輕輕敲擊，檢查焊縫有無滲水及其它異常情況，測量記錄應變值；④仍無異常時，繼續加壓至P4值，保壓5～10分鐘，再卸壓至P3壓力值，保壓30分鐘，再次對岔管全面檢查，測量記錄應變值；⑤對岔管進行徹底卸壓，試驗結束，整理試驗數據、資料，分析成果，報告結論。

4 水壓試驗成果及分析

4.1 測量成果

在水壓試驗的升壓、卸壓過程中，未發現任何異常情況。升至最大壓力值及卸壓后各測點各百分表讀取的量值如表3所示。各組測點間的應變量如表4所示。

表4 各組測點間的應變量（mm）

4.2 應力性質分析

從表4可以看出，測點1/6、1/7、1/8、1/9、4/5各組測點間測得的應變為正值，說明在岔管加壓過程中，所受力為拉應力。月牙肋頂、底（2#、3#）之間應變為負值，說明在加壓的過程中受力為壓應力。

4.3 局部應力峰值削減

岔管卸壓后，各組測點均有殘留變形，說明產生了一定的永久變形，但該變形量均很小，對結構沒有大的影響。同時，也證明對結構的局部峰值應力起到了削減作用。

4.4 最大應力計算

從圖1和表4中可以看出，單位長度內應變最大值出現在“4/5”測點間。WHT590鋼的彈性模量E=2×105MPa。根據胡克定律:

在水壓力加至最大時，“4/5”測點間最大內應力：

同理，計算得知其它各組測點間的應力均小于300 MPa。因材料的屈服極限σs≥490MPa，所以：可計算出岔管安全系數k：

結構安全。

4.5 應力測量方法的分析比較

在岔管水壓試驗的應力測試中，最常用的方法是帖應變片測量其內應力，其最大的優點是加載過程中可方便的監測應力變化情況，如果應力超標，可以隨時發出警報。其不足也非常明顯：需要非常專業的設備與人員，設備安裝較難，成本較高，且所測應力是表面和局部的應力，測得的岔管內應力情況不全面。

用百分表以測量岔管變形的方法，計算岔管的內應力，只要表的數量及布置合理，其量值準確，能全面反映岔管的內應力情況，而非表面應力。且無需專業人員與設備，儀器也易于安裝，成本低廉。缺點是難以進行升壓過程中應力變化的動態監測，讀取應變值后需經查表（圖）或計算才能知道應力變化情況。

5 結語

在岔管的水壓試驗及應變觀測過程中，未出現任何異常情況。主岔管肋板承受75MPa的壓受力，應力值較小，其余各部位均受拉應力。岔管各部位實際所受應力值，均小于材料的許用應力，能保證結構的安全運行。工程自2009年投產安全運行至今，也證明了岔管的安全可靠，此次水壓試驗對岔管安全性的驗證是成功的。以測量岔管變形量的方法間接測量內應力的方法簡單可行，經濟實用，可供借鑒。

表3 各測點卸壓前后百分表讀取的量值（mm）

[1]張金斌,謝麗華,成莉.超高水頭水電站岔管布置及水壓試驗[J].水利規劃與設計，2012（3），P31-33

[2]陳亞琴,李建.坪頭水電站岔支管整體洞內水壓試驗[J].水電站設計,2012（2）P51-54