塔貝拉水電站超大型岔管群水壓試驗

金 勝，岳 廷 文，萬 天 明

(中國水利水電第七工程局有限公司 機電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 工程概述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦開伯爾-普什圖省境內的印度河干流上，其引水壓力鋼管由原電站舊的4#泄洪洞改建而成。主管直徑13 m，通過4個岔管將主管分為3趟、直徑7.5 m的發電支管和2趟、直徑8 m的泄洪管。水壓試驗為4個超大型岔管聯合水壓試驗，岔管材質均為610 N/mm2級高強鋼07MnMoVR；其中F、G岔管為三梁月牙肋岔管，C、D岔管為卜形貼邊鋼岔管。岔管安裝單元內管節的最大吊裝單元重量為61 t，月牙肋最大吊裝單元為45 t，水壓試驗岔管本體重量為2 301.8 t，水壓試驗悶頭及過渡錐的重量為257.6 t，注滿水后水體總重量約為15 000 t。主管最大直徑13 m，最高工作水頭1.634 MPa，試驗壓力為2.4 MPa。殼板厚度為46～60 mm，月牙肋厚度為150 mm。

2 試驗的目的及作用

通過水壓試驗對岔管安全進行驗證，以確保壓力鋼管的可靠運行及安全；同時，對壓力鋼管岔管系統的設計與施工的合理性、正確性、可靠性及鋼管材料的性能、焊縫質量及穩定性進行驗證并改善管體缺陷處的受力狀況。在緩慢加載的條件下，缺陷尖端發生塑性變形，卸載后岔管產生預壓壓力。

3 水壓試驗壓力值的確定

根據ASCE設計手冊以及設計院上報給監理工程師的設計計算書，該電站最大運行工況壓力值為1.634 MPa。設計手冊規定的最大水壓試驗壓力值應達到該值運行工況壓力值的1.5倍，即2.475 MPa。考慮到水壓試驗為破壞性試驗，最終執行的壓力值為2.4 MPa。經計算，在水壓試驗工況下，岔管的危險區域應力值已經非常接近岔管的屈服強度，安全風險較高。因此，為了防止安全風險，在水壓試驗過程中采用了聲發射監控及對危險區域進行應力應變監測，以防止在水壓試驗過程中出現危險。

4 水壓試驗前的準備

(1)岔管群主管及支管端頭均預留了加工長度200 mm，水壓試驗完成后，切除預留的加工長度。

(2)岔管焊縫檢查并實施防腐處理完畢且驗收合格。

(3)岔管3個支管、2個泄洪管、上游主管悶頭安裝完成并經探傷檢驗合格。

(4)在13 m主管預留的增加長度上設置進水管、排氣管、底部設置排水管。

(5)岔管支墩設計：岔管水壓試驗的支撐按照圖1所示的位置澆筑，支墩混凝土“卡”在兩道加勁環之間并在加勁環之間填充泡沫板，以保證混凝土澆筑完畢進行岔管水壓試驗時岔管縱向及環向能自由收縮。岔管混凝土在水壓試驗完畢不拆除，只清除加勁環與支墩混凝土之間的泡沫板，可考慮在拆除泡沫板的地方預埋灌漿管。過渡錐底部的臨時支墩在水壓試驗完成后予以拆除。

計算依據鋼管管床6 m(沿軸線左右各3 m)的范圍布置條墩，條墩采用混凝土澆筑，與鋼管管壁貼合，澆筑237 m2(圖1，支墩投影)面積，水體及岔管自重為138 000 kN，因此可以計算出對混凝土支撐的壓力P=138 000 000 N/237 000 000 mm2=0.582 N/ mm2，該壓力值遠遠小于混凝土能承受的壓力。該部位澆筑的混凝土為C25，其每mm2能承擔的壓力值為25 N。

圖1 水壓試驗布置圖

(6)岔管悶頭：在岔管上游制作過渡錐管，由13 m管徑變為8 m管徑。通過三維有限元建模計算，過渡錐、加強環及岔管直段的整體應力為 344 MPa，大于 Q345C 材料的允許應力(310 MPa)，但低于材料的屈服強度(345 MPa)。從計算結果看，在“需要加強處”設置環形加強梁，該環形加強梁采用 Q345C 材料，環厚度為60 mm、高度為1 000 mm 作為加強梁(內伸 500 mm)，對過渡錐與岔管直段進行加強連接，該加強結構能滿足水壓試驗材料的強度要求。但為增加梁的安全性，需要在其兩側增設加強肋板，將梁與兩側管壁連接成整體，加強結構的整體性，提高其安全裕度。

安裝、焊接最后一個悶頭封焊焊縫時開設單面坡口，在主縫焊接完成后，通過該悶頭的進人門洞進入到該位置內部，刨背縫清根并焊接，在焊縫焊接完成后，封焊進人門洞。進人門洞焊接時需要在其背部貼一圈背板后焊接。

(7)水壓試驗監測：安裝百分表17只，其中每個岔管需安裝4只，在上游過渡錐管位置安裝1只，另外3只均布安裝在管體其它位置。主管頂部固定布置4個鋼板尺，用水準儀監測其向上的位移變化情況。

(8)岔管各部位及監測設備、壓力表安排專人進行監視并記錄。

(9)排氣孔使用φ114無縫鋼管，管壁厚度大于8 mm；進水孔及排水孔使用φ273無縫鋼管及閥門；排氣孔、進水孔、排水孔需要增加相應的補強板，補強板外徑為500 mm，板厚36 mm，材質為Q345。

(10)各閥門在安裝前必須進行水壓試驗，以保證萬無一失。充水試驗前，對管道進行一次全面檢查，排查其質量和安全隱患。對各類焊縫、鋼管球閥、各類閥門及其附件等進行相關檢測并要求達到合格，保證其不漏水、閥門開關靈活可靠。

(11)水壓試驗時，應對參與水壓試驗的所有人員做現場交底。試驗過程中禁止任何人員正對悶頭、焊縫、排水管口、排氣管口，所有施工人員必須處在安全區域。加壓過程需緩慢進行且密切監控壓力變化。 由于本次水壓試驗管內儲水量大，充水、放水時必須設置4人及以上值守并定時觀察管道和排水管路情況，防止一旦爆管等突發情況人員能及時規避或緊急疏散逃離等。

5 岔管群水壓試驗裝置的配備

考慮到岔管群在不同應力情況下水壓的增加對應力的影響不同，在實施岔管水壓試驗時的不同階段使用不同數量及不同型號的水泵。

6 水壓試驗程序

(1)充水前檢查閥門并擰緊；在充水過程中，水壓試驗注水全過程需要有專人控制。①當充水達到50%時，靜置1 h，全面檢查支墩無異常；②繼續充水至100%。在整個充水過程中，全面檢查支墩無異常；③若有異常，必須立即停止注水，全面檢查并排除險情，繼續充水；④充水時必須將上游端的排氣孔打開，以利于充水過程將管內的空氣排出。充水到排氣孔冒出水時充水結束，關閉進水閥門，靜置10 min，再進行充水，反復三次，關閉排氣孔；⑤水壓試驗的水溫為常溫，4月份做水壓試驗時其環境水溫約為30 ℃；⑥引向打壓泵水箱的水管流量需要滿足3 m3/h以上，水管內徑應大于50 mm。

(2)加壓：壓力管道充滿水后，全面檢查焊縫位置、悶頭有無重大變形、滲漏水現象。岔管水壓試驗壓力值按照合同規定為2.4 MPa。岔管水壓試驗加壓和保壓要求按照1.2 MPa、1.6 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa進行，其保壓時間分別為15 min、20 min、45 min、120 min。在各打壓階段分別記錄各百分表數據。

當鋼管的壓力值達到階段規定保壓值時，需要穩壓等待5 min后檢查其讀數，觀察壓力表指針讀數，讀取百分表數字；檢查有無可見的異常變形移位(安裝百分表檢查)、混凝土有無裂縫、支墩有無異常變位、有無異常的聲響并詳細記錄漏水情況和發生的異常變形移位部位。若無異常情況，則以0.05 MPa/min的加壓速度升至試驗壓力。全面檢查焊縫有無漏水的情況；記錄百分表讀數；記錄頂部鋼板尺讀數的變化；保壓120 min，若無異常，水壓試驗完成。

(3)應力測試：根據設計應力計算危險點應力分布情況，水壓試驗應力測試應變片布置要求為：①根據岔管的受力特征，岔管應力測試的重點及危險部位為鈍角區、銳角區、肋板旁管殼區。月牙肋板處、岔管直徑變化過渡區、悶頭和過渡錐管段亦應布置部分測點。②應力值變化平緩的線段上測點布置應相對較少；應力值變化明顯、應力梯度較大的部位測試點布置應相對較多。

本次壓力鋼岔管群水壓試驗共布置應力測點數 39個，其中 19個三向應變片測點、20個雙向應變片測點，均布置在岔管外壁。三向應變片主要布置在鋼岔管群的月牙肋兩側和腰線上管殼環縫(折線)附近。

(4)排水：水壓試驗完成后，首先通過兩臺打壓泵卸壓，當排氣孔位置壓力降低至常壓時，打開排氣孔，然后打開排水閥門排水。

7 結 語

塔貝拉水電站超大型岔管群在“裸露”狀態下順利通過水壓試驗，在水壓試驗中未見岔管、悶頭有滲水情況，支撐結構無變形移位。最高水壓為2.4 MPa，保壓后岔管并無異常變形、滲漏等情況發生，充分說明材料、工藝、過程控制等技術指標滿足要求。因此，在本次水壓試驗最大水壓狀況下，鋼管得到了足夠的設計強度試驗驗證，滿足鋼管運行各種工況的質量安全要求。

目前，國內外對岔管制作及安裝技術的研究通常僅限于直徑10 m以下且大多數基本以獨立岔管為研究對象。國內外對于岔管群的水壓試驗也均為直徑較小、支管功能較單一、岔管數目較少、岔管管節之間距離較大的普通中小型岔管群。塔貝拉水電站岔管群屬于上下游管徑差比較大，岔管群重量重(約為2 300 t，充滿水后總重約為14 000 t)，單個岔管形體大，支管中既有發電支管，又有泄洪管。塔貝拉水電站壓力鋼管超大型岔管群水壓試驗的成功，可為同類工程提供技術借鑒。

塔貝拉水電站岔管群水壓試驗具有的特點：(1)多悶頭及過渡錐聯合運用、結構復雜的超大型岔管群水壓試驗比較少見，塔貝拉水電站岔管悶頭直徑大、數量多，岔管本體結構直徑更是號稱為在壓力鋼管岔管中的世界第一；(2)使用2臺打壓泵。在不同時段使用不同功率的打壓泵，高壓時使用功率相對較小的泵，以減小水壓快速波動對岔管管壁的影響；(3)應力測試及聲發射監控的使用，為岔管水壓試驗安全提供了保障。