800MPa級高強鋼岔管水壓試驗

黃斌

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004）

800MPa級高強鋼岔管水壓試驗

黃斌

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004）

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國產(chǎn)800MPa級高強鋼材料（B780CF）制造，這是國產(chǎn)800MPa級高強鋼材料在水電站鋼岔管項目的首次應(yīng)用。為了驗證設(shè)計及鋼材的可靠性和安全性，對鋼岔管進行了焊接殘余應(yīng)力測試、工作應(yīng)力測試和變形測試。本文簡單介紹了鋼岔管的水壓試驗流程，并重點介紹了工作應(yīng)力測試方案，為同類岔管的制造提供了依據(jù)。

800MPa級高強鋼；岔管；應(yīng)力測試；水壓試驗

1 前言

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國產(chǎn)800MPa級高強鋼材料（B780CF）制造，這是國產(chǎn)800MPa級高強鋼材料在水電站鋼岔管項目的首次應(yīng)用。該岔管采用對稱“Y”型內(nèi)加強月牙肋結(jié)構(gòu)，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，分岔角70°，岔管最大外形尺寸約為6.07m×7.10m×5.51m，設(shè)計內(nèi)水壓力9.06MPa。為了驗證設(shè)計及明試驗?zāi)康模畨涸囼炞罡邏毫Π?.06MPa設(shè)定，并重復(fù)二次。

2 水壓試驗場地布置

岔管水壓試驗采用封頭與岔管連接，水壓試驗完成后，將封頭切割。岔管制造時需要在進出水口（長度方向）預(yù)留300mm焊接熱影響區(qū)余量，水壓試驗后切割除。水壓試驗采用12MPa的電動加壓泵，按照試驗大綱要求，逐步升壓。試驗場地布置如圖1。

圖1 水壓試驗場地布置圖

3 水壓試驗工作流程

根據(jù)試驗流程，水壓試驗前首先是岔管悶頭焊接、管路布置、儀器儀表架設(shè)、打壓及保溫措施準(zhǔn)備、焊接殘余應(yīng)力測試和其它各項測試的準(zhǔn)備工作，水壓試驗過程中完成各項測試工作。工作程序如圖2。

圖2 測試工作程序圖

3.1 實驗前準(zhǔn)備

為了保證水壓試驗的順利進行，首先根據(jù)設(shè)計文件、合同及設(shè)計圖樣等技術(shù)要求，編制岔管水壓試驗方案、水壓試驗組織機構(gòu)與人員配備、水壓試驗檢測記錄表等有關(guān)試驗技術(shù)文件，報設(shè)計、監(jiān)理等審批后執(zhí)行并進行試驗。

岔管的主要試驗設(shè)備為電動加壓泵：采用三臺YZ4DY70/16型電動試壓泵作為主加壓設(shè)備，輔以配套管路和相應(yīng)的檢測儀器儀表及3個試壓悶頭。

壓力鋼管岔管在安裝位置安裝、焊接，探傷合格后，將悶頭吊裝就位，焊接岔管與悶頭的對接焊縫，探傷合格后即開始進行水壓試驗，水源為現(xiàn)場臨時供水系統(tǒng)，采用軟管取水。打壓完成后，利用軟管將水沿廠房排水溝排出。

檢查岔管的支撐加固情況，由于水壓試驗時，荷載比較大，必須保證支撐的強度和穩(wěn)定性。

按岔管水壓試驗原理圖，準(zhǔn)備好水壓試驗所需的試驗設(shè)備、管路及專用工器具，將充水閥、排氣閥、泄壓閥、各壓力表組裝就位，檢查打壓設(shè)備、檢測儀表和管路連接情況。

檢驗悶頭的幾何尺寸、進水口和排氣口以及焊縫的質(zhì)量。

3.2 試驗程序與步驟

（1）利用軟管通過旁通閥對岔管進行注水，注水的同時開啟悶頭上部的排氣閥進行排氣。當(dāng)排氣管上部出水并不再有氣泡時，注水結(jié)束。

（2）啟動電動試壓泵逐步向岔管加壓，加壓過程中隨時測量檢查岔管本體及悶頭各焊縫有無異常，各閥門及其與岔管連接處是否漏水，若有異常及時進行處理。

（3）水壓試驗壓力上升速度不超過0.05MPa/min，緩慢升至設(shè)計壓力9.06MPa，保持10min；對岔管進行檢查，若情況正常，繼續(xù)升至試驗壓力值11.325MPa，保持5min；再次檢查有無滲水和其他異常情況，無異常，經(jīng)監(jiān)理工程師確認后利用上部泄壓閥將壓力降至設(shè)計壓力9.06MPa，保持30min，并用0.5～1.0kg的小錘在岔管的焊縫兩側(cè)各15～20mm處輕輕敲擊，整個水壓試驗過程中無滲水和其他異常情況。

（4）試驗過程中如出現(xiàn)泄漏和其它異常現(xiàn)象應(yīng)立即停止加壓，需要處理時必須在卸壓后進行。

（5）水壓試驗升、降壓順利，試驗過程無異常現(xiàn)象，經(jīng)各方會簽后水壓試驗結(jié)束。

3.3 試驗監(jiān)測

水壓試驗時應(yīng)進行監(jiān)測的項目包括：內(nèi)水壓力、水溫、變形、管殼及肋板的應(yīng)力應(yīng)變、不同壓力下的進水量測試等。

應(yīng)根據(jù)試驗壓力設(shè)定位移、應(yīng)變警戒值，進行實時監(jiān)測。

在水壓試驗過程中，應(yīng)設(shè)置應(yīng)變計及變形監(jiān)測儀器，記錄讀數(shù)。監(jiān)測儀器數(shù)量及讀數(shù)量應(yīng)能滿足計算管殼和肋板膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，以及加勁肋附近區(qū)域的局部應(yīng)力的要求。并應(yīng)計算應(yīng)力，并將成果報送業(yè)主。

3.4 試驗問題及處理

（1）明確試驗現(xiàn)場指揮人員和主要操作人員與檢查人員。

（2）試驗加壓前30min，由現(xiàn)場指揮人員召集所有參加試驗的人員進行試驗前技術(shù)交底。

3.5 試驗記錄及結(jié)論

壓力鋼管岔管水壓試驗嚴(yán)格按照招標(biāo)文件的要求與水壓試驗詳細操作規(guī)程進行試驗，準(zhǔn)確記錄各項過程和數(shù)據(jù)。

（1）整個試驗過程中應(yīng)隨時檢查岔管的滲水和其它異常情況。

（2）水壓試驗前后均應(yīng)進行較全面的無損探傷。

（3）水壓試驗用監(jiān)測儀器的布設(shè)位置、數(shù)量應(yīng)報業(yè)主批準(zhǔn)后實施。

（4）在水壓試驗過程中，應(yīng)設(shè)置應(yīng)變計及變形監(jiān)測儀器，記錄讀數(shù)。監(jiān)測儀器數(shù)量及讀數(shù)量應(yīng)能滿足計算管殼和肋板膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，以及加勁肋附近區(qū)域的局部應(yīng)力的要求。計算出應(yīng)力，并將成果報送監(jiān)理及業(yè)主。

（5）水壓試驗時環(huán)境溫度和試壓時水溫應(yīng)在5℃以上。鋼岔管水壓試驗應(yīng)在規(guī)定的壓力值下，重復(fù)兩次試驗過程。

4 水壓試驗應(yīng)力測試

呼和浩特抽水蓄能電站共有2臺鋼岔管，按設(shè)計要求進行水壓試驗。并對岔管受力的重點部位如岔管的鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處布置應(yīng)力測點，悶頭和連接錐管段根據(jù)現(xiàn)場實際情況考慮布置參考測點。過程對鋼岔管進行工作應(yīng)力測試。

4.1 測點布置

（1）工作片布置

水壓試驗過程結(jié)構(gòu)應(yīng)力測點布置按設(shè)計要求進行，岔管內(nèi)外壁對應(yīng)布置測點。其中：

月牙肋板上共布置8個測點，內(nèi)外各4個，布置在肋板內(nèi)外緣板厚中間的位置，每個測點布置一個單向應(yīng)變計。

肋板相鄰管壁上共布置8個測點，內(nèi)外各4個，水平中心及90°位置布置雙向應(yīng)變計，15°及30°位置布置一個三向應(yīng)變計。

其它管壁上共布置12點，內(nèi)外各6個，每個測點分別布置一個雙向應(yīng)變計。

錐管過渡管節(jié)和悶頭上的測點根據(jù)現(xiàn)場實際情況在背水面布置2～4個參考測點，以便監(jiān)測錐管過渡管節(jié)和悶頭的受力狀況。

為了便于測試，在實際工作時可以稍做調(diào)整。內(nèi)部測點與外部測點對應(yīng)，內(nèi)部測試線通過引線裝置引到管外。

（2）補償片的設(shè)置

岔管內(nèi)、外部各設(shè)3個補償片（塊）。

4.2 應(yīng)變計粘貼工藝

（1）根據(jù)布點部位及布片數(shù)量，在岔管上標(biāo)出測點位置。

（2）將待貼部位用角向砂輪打磨出一個稍大于應(yīng)變計面積的平面，再用120#砂布沿45°方向交叉打磨好后，進行劃線，然后用丙酮把待貼面清洗干凈。

（3）用無水乙醇清洗工具、聚四氟乙烯薄膜和待貼的應(yīng)變計。

（4）將應(yīng)變計待貼面均勻地涂上502膠，對準(zhǔn)位置貼上應(yīng)變計，蓋上聚四氟乙烯薄膜，沿應(yīng)變計軸向擠出氣泡和多余膠液。

（5）應(yīng)變計貼上后，常溫下固化4～6h。

（6）檢查應(yīng)變片有無未貼合處、粘貼層有無氣泡、絲柵有無畸形；用萬用表檢查有無短路、斷路。如有以上任何一種情況要鏟去重貼。

4.3 應(yīng)變計與應(yīng)變儀的連接

（1）用鑷子將應(yīng)變片引線輕輕地拉起。

（2）緊挨應(yīng)變片引線端，用502膠水粘上接線端子。

（3）測試導(dǎo)線：根據(jù)最遠測試部位的距離放線，多點共用一個補償片時，工作片和補償片的導(dǎo)線長度、型號規(guī)格要相同，每兩根導(dǎo)線一組，在每組導(dǎo)線按順序編號。

（4）用電烙鐵按導(dǎo)線上的編號，將應(yīng)變片引出線和相對應(yīng)的每組導(dǎo)線一端分別焊在相應(yīng)的接線端子上。

（5）將每組導(dǎo)線的另一端按順序與應(yīng)變儀接線板插頭連接在一起。

4.4 測量系統(tǒng)連接

應(yīng)變測量系統(tǒng)使用前在斷電狀態(tài)下進行連接，測量系統(tǒng)的連接包括PC機與CM-2B的連接、多臺CM-2B的連接和應(yīng)變計與CM-2B的連接。

4.5 監(jiān)測系統(tǒng)

CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)如圖3組成，應(yīng)變片及應(yīng)變式傳感器接入CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀（一個機箱可接64點）組成完整橋路。16通道A/D卡是16位的高精度模數(shù)變換器，它一端接往CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀，另一端接往計算機的USB口或并行口（打印機端口），計算機通過A/D卡對CM-2B進行控制，同時采集被測信號，進行存儲、數(shù)據(jù)處理。形成較大采集系統(tǒng)，每一機箱也可獨立使用。

系統(tǒng)的工作過程如下：

應(yīng)變片及應(yīng)變式傳感器接往CM-2B機箱，組成完整電橋，將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，信號在應(yīng)變儀內(nèi)經(jīng)過放大、濾波。按預(yù)先編制的程序，通過IOC控制CM-2B的測量點轉(zhuǎn)換，在某時刻將某測量點電壓輸出信號送到ADC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，送到計算機進行儲存、處理、顯示或打印輸出。

4.6 數(shù)據(jù)處理

（1）測試數(shù)據(jù)采集

圖3 靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)組成圖

在聯(lián)機狀態(tài)下，啟動應(yīng)變測量系統(tǒng)進入測量狀態(tài)。動存入測量系統(tǒng)的文件包中。各加載循環(huán)過程中，密切注視應(yīng)力的變化，對出現(xiàn)應(yīng)力值急劇增加或接近、達到屈服極限的情況，應(yīng)及時報告，停止增壓。

（2）數(shù)據(jù)計算

在程序中設(shè)置材料組號、應(yīng)變片類型和材料的彈性模量、泊松比、應(yīng)變片靈敏度系數(shù)、應(yīng)變片電阻值、測試導(dǎo)線電阻值、屈服極限等參數(shù)后進行計算，計算機將自動計算出各測點的應(yīng)力值和主應(yīng)力方向。

4.7 測試報告

岔管水壓試驗完成后，承擔(dān)水壓試驗的安裝單位對試驗過程中所測讀的數(shù)據(jù)進行分析整理，評價試驗鋼岔管的安全性能及施工質(zhì)量，并提交了最終水壓試驗測試成果分析報告（《壓力鋼管岔管水壓試驗報告》）。

5 結(jié)論

本次鋼岔管水壓試驗結(jié)合現(xiàn)場條件，進行了縝密的試驗論證和試驗準(zhǔn)備，特別是采用了聲發(fā)射監(jiān)測保證了水壓試驗的安全進行。水壓試驗采用半球形封頭，減少了封頭的設(shè)計厚度，降低了封頭制造成本。半球型封頭與岔管焊接采用單面焊接雙面成型的焊接工藝，節(jié)省了進人孔的布置。采用低摩擦材料與可滑動式支撐結(jié)合使岔管水壓試驗盡可能的保持在無約束狀態(tài)，減小了外界條件對水壓試驗數(shù)據(jù)的影響。本次水壓試驗順利通過了驗收，且各項技術(shù)指標(biāo)均滿足并優(yōu)于設(shè)計及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本工程水壓試驗的成功，代表著國產(chǎn)800MPa級高強鋼岔管在水電領(lǐng)域有了零的突破，打破了800MPa級高強鋼岔管依靠進口的局面。

TG457.11

A

1004-7344（2016）01-0124-02

2015-11-3

黃 斌（1979-），男，工程師，本科，從事水電站大型金屬結(jié)構(gòu)以及壓力鋼管、水輪發(fā)電機部件制造安裝技術(shù)管理工作。