鋼岔管水壓試驗的應力測試與分析

鄧小君

（河南職業技術學院，河南鄭州450046）

鋼岔管水壓試驗的應力測試與分析

鄧小君

（河南職業技術學院，河南鄭州450046）

通過對供水泵站的卜形鋼岔管進行不同壓力等級水壓試驗的應力測試及分析，以確定岔管結構設計方案的合理性和制造質量（尤其焊接質量）的可靠性。明確了U形梁腰部及悶頭所受應力較大，在水壓試驗及供水系統運行時應注意監測；同時悶頭蓋板與過渡管環縫內側所受拉力值也較大，應特別注意該焊縫的焊接質量控制，以確保供水工程系統的安全運行。

卜形鋼岔管；水壓試驗；應力測試

1 概述

某應急供水工程的供水泵站共8個鋼岔管，岔管形式為“卜”形（見圖1）。岔管的主管與錐管及三個梁的材質均為16MnR，支管材質為20R；主管及錐管的管壁厚度為32 mm，三個梁的厚度均為60 mm，支管厚度為24 mm。根據設計要求，鋼岔管出廠交付使用時應按相關要求進行水壓試驗。

由于岔管的板厚大、結構剛性拘束大，焊接時會產生較大的焊接殘余應力。為了檢驗岔管的結構設計方案合理性和制造質量可靠性，并確定通過水壓試驗部分消除鋼岔管焊接殘余應力的實際情況，在岔管水壓試驗過程中，同時對其進行了應力測試及分析。

2 試驗條件

2.1 鋼岔管試驗狀態

采用單個岔管水壓試驗方式。試驗時，岔管的進水口、出水口均用加筋板的平板悶頭密封，形成密閉容器。整個岔管水平臥放于三個鞍形支架上。

2.2 試驗環境條件

（1）環境溫度及試驗水溫。

根據試驗規范要求，環境溫度不低于10℃時、水溫不低于5℃。試驗中實測環境溫度大于25℃、水溫大于20℃，符合有關規定。

（2）水壓試驗壓力循環。

根據岔管的試驗方案確定水壓試驗的壓力循環如圖2所示。

2.3 加壓系統

整個水壓試驗加壓系統由排氣系統、充水系統、排水系統以及增壓系統等組成。其中增壓系統由1臺手提式電動試壓泵（最大工作壓力6.3 MPa，流量360 L/h）、各種閥門、壓力表及管路組成。在增壓系統管路及岔管頂部安裝有兩個精度等級為1.6的壓力表。

圖1 岔管示意

圖2 水壓試驗壓力循環

3 試驗測試過程

3.1 應力測試設備

（1）采用CM-2B型靜態應變測量分析系統。量程±19 999 με，精度為測量值的0.3％±3 με，零點漂移小于3 με/h，溫漂小于1 με/℃，全系統掃描一次2 s。

（2）不同測試部位的應力測試分別采用BE120-4BB型雙向電阻應變計和BE120-2CA型三向電阻應變計。其中BE120-4BB型雙向電阻應變計阻值為119.7 Ω，靈敏系數為2.16；BE120-2CA型三向電阻應變計阻值為120.3 Ω，靈敏系數為2.19。

3.2 測點分布

（1）布點原則。

根據試驗方案要求，考慮“卜”形岔管的受力特征，岔管應力測試的重點部位為三個梁的腰部、岔管腰線上的典型部位、平板悶頭加強筋板所圍成的小格中心位置。應力測點布置在上述受力相對較大的部位，確保水壓試驗安全。所有測點均布置在岔管外壁。

（2）實際布點情況。

布點位置如圖3所示。其中，測點4、7、25布置三向應變片，其余測點布置雙向應變片；測點21位于沿腰線對稱的另一側（即腰線下弧長450 mm處）；除了測點21雙向片x方向為環焊縫方向外，其余應變片的x方向均為水平方向。

3.3 應力測試

（1）先將應變片與CM-2B型靜態應變測量分析系統聯接起來，并調試完畢。

（2）分別進行0.4 MPa、0.8 MPa和1.1 MPa三個壓力等級的水壓試驗，并記錄對應的應變值。

（3）測試完畢后，計算各個壓力等級所對應的應力值。

4 應力測試結果

根據應變片布置情況，測點4、7、25布置的是三向應變片，儀器顯示的數據為最大主應力值、最小主應力值和最大主應力方向。其余測點布置雙向應變片，儀器顯示的數據為x方向和y方向的應力值。應力測試結果如表1所示。

5 數據分析

（1）為了驗證測試系統（包括應變片處理、儀器等）可靠性，特選取測點1和測點12的y向應力值進行線性分析，分析軟件采用最小二乘法進行線性嚙合（見圖4和圖5）。

圖3 測點布置

數據分析表明，測點1的y向應力值與試驗水壓呈良好的線性對應關系，線性度R=0.999 8；測點12的y向應力值與試驗水壓呈良好的線性對應關系，線性度R=0.999 0。這說明不僅測試系統穩定可靠，而且水壓試驗過程中岔管各測試部位均處于彈性變形狀態。

（2）測試數據表明：水壓1.1 MPa時，正腰梁腰部應力為41 MPa；斜腰梁腰部應力為101 MPa；U形梁腰部應力為189 MPa。該形式岔管的三個梁可以選擇不同的板厚。相對于岔管管殼的應力水平而言，正腰梁的厚度可以減少，甚至可以取消正腰梁，斜腰梁的板厚比較合適，而U形梁的板厚可以適當增加。

（3）水壓1.1 MPa時，岔管管殼上各測點的應力水平都不高，在100 MPa以下，說明岔管本體有作足夠的安全儲備。

（4）梁旁管殼測點的最大主應力方向大致與該點的切線方向一致，相當于雙向片的y方向，最大主應力略大于梁上相鄰測點的y向應力。盡管U形梁腰部相臨的管殼沒有布置測點（受岔管體型限制），但可以根據U形梁測點應力值推測，該部位受力也比較大。但是相對于材料的許用應力值而言，尚有一定的裕量。

（5）悶頭上應力值都比較大，最大達到189 MPa，說明初次對某一類型的岔管進行水壓試驗時，對平板悶頭進行應力監控是必要的。試驗表明，本次試驗采用的悶頭滿足要求。

（6）悶頭蓋板與過渡管節之間的環縫，管內受拉，管外受壓。測點21在水壓1.1 MPa時，水平方向岔管軸向受壓，壓應力達到126 MPa；盡管管內未布置應變片，但可以推測該焊縫管內側所受的拉力值不低，因此，應特別注意該焊縫的焊接質量。

圖4 測點1的y向應力與試驗壓力的對應關系

圖5 測點12的y向應力與試驗壓力的對應關系

6 結論

試驗過程中未發生岔管滲漏和焊縫開裂現象，說明鋼岔管的制造質量良好，滿足使用要求。U形梁腰部及悶頭所受應力較大，在水壓試驗及供水系統運行時應注意監測；同時悶頭蓋板與過渡管環縫內側所受拉力值也較大，應特別注意該焊縫的焊接質量控制。

Test and analysis of steel bifurcation pipe hydraulic

DENG Xiaojun
（He'nan Institute of Vocational&Technology，Zhengzhou 450046，China）

T：hrough to the water supply pump station bligh shape steel bifurcation pipe hydrostatic test of different pressure levels stress test and analysis,to determine the rationality of the bifurcation pipe structure design scheme and the reliability of the manufacturing quality（Especially the welding quality）.Clear the u-shaped beam waist and the hard by stress is larger,the water pressure test and that should be noticed in running in the water system monitoring;at the same time the hard cover plate and the transition pipe girth inside the pull force value is bigger also,should pay special attention to the welding seam welding quality control, to ensure the safe operation of water supply engineering system.

ABU shape steel bifurcation pipe；hydrostatic test；the stress test

TG404

B

1001-2303（2015）08-0214-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.47

2015-01-12；

2015-03-06

鄧小君（1964—），女，河南人，副教授，主要從事焊接專業的教學與科研工作。