洪屏抽水蓄能電站內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管原型水壓試驗(yàn)研究

姚敏杰，高雅芬

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

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洪屏抽水蓄能電站內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管原型水壓試驗(yàn)研究

姚敏杰，高雅芬

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310014)

洪屏抽水蓄能電站岔管HD值高，且為國(guó)內(nèi)首批采用國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼的鋼岔管。從工程安全角度考慮，確定進(jìn)行水壓試驗(yàn)。通過(guò)水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)鋼岔管的制作水平，鈍化尖端應(yīng)力，削減焊后殘余應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)的安全度。水壓試驗(yàn)表明，其最終測(cè)試結(jié)果與三維有限元計(jì)算基本吻合，為后續(xù)鋼岔管的設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)。

水工結(jié)構(gòu)；原型水壓試驗(yàn)；內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內(nèi)，緊靠江西省用電中心，與南昌、九江、武漢直線距離分別為65、100 km和190 km。鄂贛聯(lián)網(wǎng)的500 kV輸電線路從洪屏電站附近通過(guò)。電站為周調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，一期裝機(jī)容量1 200 MW。電站建成后，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等任務(wù)。樞紐建筑主要包括上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開(kāi)關(guān)站和地面中控樓等。

因鋼岔管水壓試驗(yàn)需占用工程工期，且費(fèi)用不菲，筆者曾研究論證過(guò)鋼岔管取消水壓試驗(yàn)的可能性。但鑒于本工程鋼岔管HD值高、國(guó)內(nèi)首批采用國(guó)產(chǎn)800 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼(上海寶鋼，牌號(hào)為B780CF)，且生產(chǎn)制造廠家首次制作鋼岔管，從工程安全角度考慮，最終確定應(yīng)作水壓試驗(yàn)，檢驗(yàn)鋼岔管的安全可靠度。

2014年11月，洪屏抽水蓄能電站進(jìn)行了原型鋼岔管水壓試驗(yàn)。中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司編制了鋼岔管水壓試驗(yàn)技術(shù)要求及工況設(shè)計(jì)，中國(guó)水利水電第六工程局有限公司、電力工業(yè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測(cè)中心負(fù)責(zé)加載系統(tǒng)的安裝、打壓及各項(xiàng)測(cè)試工作。

2 水壓試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

洪屏電站鋼岔管采用對(duì)稱Y型內(nèi)加強(qiáng)月牙型肋鋼岔管，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為8.34 MPa，HD值為3 740 m·m。鋼岔管分岔角為70°，主管直徑D=4.40 m，支管直徑d=3.0 m，公切球半徑2 511.2 mm，為主管管徑的1.141倍，管殼厚54 mm，肋板厚120 mm。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，鋼岔管各點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力應(yīng)滿足以下條件：

式中，σ為鋼岔管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用效應(yīng)計(jì)算值；σR為鋼岔管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值；σθ為軸向正應(yīng)力，以拉為正；σx為環(huán)向正應(yīng)力，以拉為正；τθx為剪應(yīng)力，以上單位均為N/mm2。

由于鋼岔管各管節(jié)母線折角處容易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，此部位是局部膜應(yīng)力的控制點(diǎn)；而肋板是小偏心受拉構(gòu)件，最大截面內(nèi)側(cè)一般為應(yīng)力最大值部位，故將這些控制點(diǎn)作為應(yīng)力結(jié)果整理的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)三維有限元計(jì)算，以內(nèi)水壓力1.0 MPa為例，鋼岔管整體和月牙肋最大主應(yīng)力分布如圖1、2所示，管壁和月牙肋最大應(yīng)力值分別為61.03 MPa和56.34 MPa。

圖1 鋼岔管整體最大主應(yīng)力分布示意

圖2 月牙肋最大主應(yīng)力分布示意

因在材料抗力限值內(nèi)，鋼岔管承受的內(nèi)水壓力與其結(jié)構(gòu)應(yīng)力基本呈線性關(guān)系，因此水壓試驗(yàn)最大壓力按規(guī)范的抗力限值推算，初步確定為6.09 MPa。實(shí)際水壓試驗(yàn)過(guò)程中，最大壓力還需結(jié)合Q/HYDROCHINA008—2011 《地下埋藏式月牙肋岔管設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定的岔管應(yīng)力監(jiān)測(cè)成果不超過(guò)水壓試驗(yàn)工況材料的抗力限值綜合考慮。

3 原型水壓試驗(yàn)

水壓試驗(yàn)的目的為：①通過(guò)水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性、施工質(zhì)量的可靠性、結(jié)構(gòu)安全性和致密性；②根據(jù)水壓試驗(yàn)測(cè)試岔管應(yīng)力分布和規(guī)律，與有限元分析計(jì)算成果相互驗(yàn)證；③根據(jù)試驗(yàn)所要求的采用應(yīng)變片的觀測(cè)成果換算的應(yīng)力分布情況與原型觀測(cè)應(yīng)力計(jì)的測(cè)試成果作對(duì)比分析，相互驗(yàn)證；④通過(guò)水壓試驗(yàn)前后焊接殘余應(yīng)力測(cè)試對(duì)比，評(píng)價(jià)水壓試驗(yàn)消除焊接殘余應(yīng)力的效果；⑤通過(guò)水壓試驗(yàn)消除鋼岔管的尖端應(yīng)力以及岔管施工附加變形，保證岔管安全運(yùn)行。

3.1 試驗(yàn)條件及壓力循環(huán)

(1)試驗(yàn)狀態(tài)。洪屏引水鋼岔管采用兩岔管聯(lián)合水壓試驗(yàn)方式。試驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)岔管的主管對(duì)接，悶頭與支管對(duì)接，形成密閉容器。整個(gè)岔管水平自由臥放于數(shù)個(gè)鞍形鋼支架上，岔管底點(diǎn)離地600 mm，鋼支架底部固定在基礎(chǔ)混凝土中，有足夠的剛性。鋼岔管本體與鋼支架間采用聚四氟乙烯板鋪墊，以保證水壓時(shí)鋼岔管有自由位移。

(2)環(huán)境條件。規(guī)范要求環(huán)境溫度不低于10 ℃，水溫不低于5 ℃。試驗(yàn)過(guò)程實(shí)測(cè)水溫13 ℃，環(huán)境溫度在12～15 ℃。

(3) 壓力循環(huán)。按有限元計(jì)算分析成果及設(shè)計(jì)規(guī)范要求，水壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力為6.09 MPa，壓力等級(jí)為2.0、4.0、5.84、6.09 MPa，加壓速度以不大于0.05 MPa/min，每級(jí)穩(wěn)壓10 min，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力穩(wěn)壓30 min。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)體積變形分析。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，在各個(gè)壓力等級(jí)下，進(jìn)水量與壓力等級(jí)呈良好的線性關(guān)系。

(2)變形分析。水壓試驗(yàn)過(guò)程中，在各個(gè)壓力等級(jí)下，頂部測(cè)試的位移與壓力等級(jí)呈良好的線性關(guān)系。其余測(cè)試部位位移與壓力等級(jí)線性關(guān)系相對(duì)不一，可能受岔管外部支撐約束的影響。在最大壓力等級(jí)6.09 MPa 時(shí)，岔管的最大位移位于月牙肋腰線位置，最大位移量為3.099 mm，與三維有限元計(jì)算值接近。

(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力數(shù)據(jù)分析。從水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)看，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值和試驗(yàn)壓力值呈較好的線性關(guān)系，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)(包括應(yīng)變片處理、儀器等)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)非線性誤差得到了很好地控制；也說(shuō)明在6.09 MPa 壓力循環(huán)下，各測(cè)點(diǎn)處于線彈性狀態(tài)。對(duì)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比分析可得，各壓力等級(jí)下，在岔管內(nèi)部，底部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大，當(dāng)試驗(yàn)壓力為6.09 MPa 時(shí)，其實(shí)測(cè)值達(dá)到380 MPa；在岔管外部，仍是底部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力最大，當(dāng)試驗(yàn)壓力為6.09 MPa 時(shí)，其實(shí)測(cè)值達(dá)到394 MPa；兩值基本與該部位的抗力限值386 MPa吻合，與計(jì)算相差在2%以內(nèi)。各壓力等級(jí)下，月牙肋應(yīng)力最大值位于內(nèi)部月牙肋腰線位置測(cè)點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)壓力為6.09 MPa 時(shí)，其實(shí)測(cè)值達(dá)到320 MPa，小于該部位的抗力限值343 MPa，安全裕度較大，與計(jì)算相差在7%以內(nèi)。水壓試驗(yàn)6.09 MPa時(shí)實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力對(duì)比曲線見(jiàn)圖3。從圖3可以看出：水壓試驗(yàn)各控制點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)值與三維有限元計(jì)算值總體上相吻合，尤其位于鈍角區(qū)的腰線內(nèi)、外壁應(yīng)力分布形狀及數(shù)值非常接近；相貫線CO和月牙肋部位略有差別，主要是該部位的應(yīng)力受結(jié)構(gòu)制作因素影響較大，與水壓試驗(yàn)支撐條件有關(guān)，如何更好地設(shè)置鋼岔管水壓試驗(yàn)支撐，以及處理好支撐約束問(wèn)題的模擬有待于進(jìn)一步研究和驗(yàn)證。

圖3 水壓試驗(yàn)6.09 MPa時(shí)實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力對(duì)比曲線

(4)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析。從測(cè)試數(shù)據(jù)看，通過(guò)水壓試驗(yàn)，岔管的焊接殘余應(yīng)力有下降的趨勢(shì)，部分測(cè)點(diǎn)下降明顯。水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁焊接殘余應(yīng)力最大值為809 MPa，水壓試驗(yàn)后該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值為614 MPa，下降24%；水壓試驗(yàn)前岔管外壁焊接殘余應(yīng)力最大值為743 MPa，水壓試驗(yàn)后該測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值為664 MPa，下降10%。部分測(cè)點(diǎn)水壓試驗(yàn)后，殘余應(yīng)力值下降不明顯，可能與水壓試驗(yàn)壓力等級(jí)較低有關(guān)，未達(dá)到殘余應(yīng)力釋放的壓力條件。

4 結(jié) 論

(1)水壓試驗(yàn)過(guò)程中，岔管本體未發(fā)生滲漏和焊縫開(kāi)裂情況，說(shuō)明岔管的制作質(zhì)量可靠，這對(duì)國(guó)產(chǎn)800 MPa級(jí)鋼材在水電站上的應(yīng)用具有突破性的意義。

(2)水壓試驗(yàn)過(guò)程中，岔管的位移變形較小，說(shuō)明岔管的剛性較好；岔管在最大試驗(yàn)壓力6.09 MPa下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力值與材料的抗力限值相近，安全裕度較大；焊接殘余應(yīng)力通過(guò)水壓試驗(yàn)也得到一定程度的釋放。

(3)水壓試驗(yàn)工況的有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果，在岔管腰部及以上管壁應(yīng)力值基本相符，且計(jì)算的最大值與實(shí)測(cè)的最大值基本接近，因支座的約束對(duì)管殼局部區(qū)域的應(yīng)力仍存在影響，最大測(cè)值不完全在同一測(cè)點(diǎn)上。

[1]王志國(guó)， 陳永興. 西龍池抽水蓄能電站內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管?chē)鷰r分擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2006， 25(6)： 61- 66．

[2]王志國(guó). 水電站埋藏式內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管技術(shù)研究與實(shí)踐[M]. 北京： 中國(guó)水利水電出版社， 2011．

[3]蔡軍， 高源濤. 江蘇宜興抽水蓄能電站引水鋼岔管壓水試驗(yàn)測(cè)試[J]. 水力發(fā)電， 2009， 35(2)： 83- 86．

[4]王志國(guó)， 陳永興. 西龍池抽水蓄能電站內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管水力特性研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2007， 26(1)： 42- 47．

[5]胡木生， 張偉平， 靳紅澤， 等. 水電站壓力鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2010， 29(4)： 184- 188．

[6]伍鶴皋， 汪艷青， 蘇凱， 等. 內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管水壓試驗(yàn)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版， 2008， 41(5)： 35- 39．

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Water Pressure Test of Crescent-Rib Reinforced Bifurcated Pipe for Hongping Pumped-storage Power Station

YAO Minjie, GAO Yafen

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

The crescent-rib reinforced bifurcated pipe of Hongping Pumped-storage Power Station has highHDvalue, which is the first use of 800MPa-grade high strength steel in China. From engineering safety point of view, the water pressure test of crescent-rib reinforced bifurcated pipe is determined to carry out. Through water pressure test, the product quality of steel bifurcated pipe can be examined, the tip stress can be dulled, the residual stress after welding can be reduced, and the safety of structure can be improved. The test results are consistent with the calculation results of three-dimensional finite element. The test will provide an important basis for the design of steel bifurcated pipe in future．

hydraulic structure; water pressure test; crescent-rib reinforced bifurcated pipe; Hongping Pumped-storage Power Station

2015- 08- 14

姚敏杰(1983—)，男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事水工設(shè)計(jì)工作．

TV732.43

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0559- 9342(2016)06- 0092- 03