抽水蓄能電站鋼岔管水壓試驗技術

陳尚林，喻 冉

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建省仙游縣 351267；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿族自治縣 068350）

0 引言

河北豐寧抽水蓄能電站額定水頭425m，引水系統采用一洞兩機的布置方式，每條高壓主管長約1000m，高壓支管長約50m，安裝780MPa級鋼岔管，鋼岔管承擔著樞紐分流作用。

鋼岔管是由多塊高強鋼板經卷壓切割成型后在工廠進行預組裝，驗收合格后拆解為多個運輸單元發至工地現場，完成拼組、焊接、悶頭掛焊后進行鋼岔管水壓試驗。

1 鋼岔管水壓試驗的必要性

豐寧鋼岔管采用材料為B780CF，總重66.6t，為對稱Y形內加強月牙肋鋼岔管，分岔角為74°，主錐管進口內直徑4800mm，支錐管出口內直徑3400mm，最大共切球半徑2760mm，主錐管、支錐管壁厚70mm，月牙肋厚126mm。豐寧鋼岔管體形見圖1。

1.1 組焊過程產生大量殘余應力

鋼岔管殼體為卷壓成型，拘束度大。鋼岔管所有瓦片經過下料、切割、卷壓合格后，進行工廠預組裝，對全部瓦片反復校形和固定，然后拆解運輸至工地，再重新進行拼組，再次對瓦片進行修正和加固，兩次拼組過程加劇了瓦片的拘束度。

鋼岔管焊縫密集分布，包括12條工廠焊縫和15條工地焊縫，焊縫全面包絡整個鋼岔管，手工焊、氣保焊均有應用，平焊、立焊、仰焊同時存在，焊接難度大，熱輸入控制難度大，焊接殘余應力較大。焊接工藝確定后，焊接速度是鋼岔管焊接質量的控制要點，焊接熱輸入的控制極為重要，如焊接速度過快則不足以使焊接結合，如焊接速度過慢則會降低熱影響區的沖擊韌性。

1.2 焊接殘余應力的危害和消應

焊接殘余應力會降低鋼岔管抗脆斷性和抗腐蝕能力，嚴重影響設備質量[1]。若高殘余應力區存在焊接缺陷，會降低該處靜載強度，在往復水流的沖擊下，則會加劇應力集中處的金屬疲勞，可能導致焊縫應力腐蝕開裂，也可能使焊件局部屈服或失穩，進而影響鋼岔管的強度、剛度和整體穩定性。

通過水壓試驗，可以使焊接殘余應力重新分布，并消除鋼岔管的尖端應力及施工附加變形，達到對鋼岔管的局部削峰消應，從而提高鋼岔管整體抗脆斷和抗應力腐蝕能力，保證鋼岔管安全穩定運行[1]。岔管殘余應力測試位置布點見圖2。

2 鋼岔管水壓試驗

鋼岔管水壓試驗是對打壓過程中應力、位移、進水量及內水溫度的實時監測，而且需在水壓試驗前后對鋼岔管進行殘余應力測試。如果實測應力—壓力、進水量—壓力曲線呈良好線性關系，則說明在水壓試驗過程中，鋼岔管處于彈性變形狀態，同時未發生滲漏和焊縫開裂。

2.1 水壓試驗的前提條件

鋼岔管整體焊接完成后，需對主要尺寸和焊縫質量進行檢查，并對內支撐進行處理。將預制的悶頭和鋼岔管進出水口焊接，形成密閉空間，并安裝沖排水系統和打壓系統，且無損檢測合格。鋼岔管平臥放置于數個鞍形支架上，鞍形支座與鋼岔管之間墊有聚四氟乙烯板，以保證水壓試驗時鋼岔管能自由位移。鋼岔管水壓試驗要求環境溫度不低于10℃，水溫不低于5℃。水壓試驗前后，需對鋼岔管焊接殘余應力進行測量，以驗證水壓試驗消除殘余應力的水平[2]。

圖1 豐寧鋼岔管體形圖Figure 1 Shape of Fengning steel bifurcated pipe

圖2 岔管殘余應力測試位置布點圖Figure 2 Distribution of test points for residual stress of bifurcated pipe

2.2 鋼岔管水壓試驗壓力確定

根據鋼岔管整體形狀和瓦片的特點，鋼岔管管壁不同區域所受應力不同，有整體膜應力區、局部膜應力區和局部膜應力+彎曲應力區，根據鋼岔管鋼材的力學屈服極限和強度設計值，可計算出各應力區及肋板在明管水壓試驗狀態的抗力限值[3]。

豐寧抽水蓄能電站一期鋼岔管設計壓力為7.47MPa，通過對鋼岔管建立力學模型，根據鋼岔管焊縫排布、悶頭設計、現場鋼支撐實際支撐情況以及充滿水的總重對鋼岔管水壓試驗進行模擬計算分析，模擬出在不同打壓壓力下各主要特征點的應力變化，使各主要特征點的所有應力值不超過抗力限值，進而推算出最高打壓壓力為6.9MPa，同時模擬推算出水壓試驗過程中鋼岔管位移變形和進水量規律[4]。

2.3 鋼岔管水壓試驗過程監測

鋼岔管水壓試驗具有一定的風險性，往往分為預打壓和兩次正式打壓進行，試驗過程需對各特征點的應力、變形和進水量等進行實時監控和分析，并將實際測試結果與模擬分析結構進行比對，當進水量和多個特征點的應力出現非線性的突變時，需立即分析并判斷試驗能否繼續。如果出現任何一個測點的應力達到其抗力限值，則應立即停止升壓。

2.4 應力測試測點布置

應力測試的方法有壓痕法、盲孔法等，盲孔法需要對管壁鉆孔，對鋼岔管造成局部損壞，所以豐寧抽水蓄能電站采用壓痕法進行應力測試。

圖3 鋼岔管水壓試驗應力測點布置圖Figure 3 Layout of stress measuring points for hydraulic test of steel bifurcated pipe

水壓試驗應力測點布置位置應與鋼岔管、悶頭強度計算報告推算出的關鍵點一致[5]，由于鋼岔管結構對稱，考慮到布置測點安裝方便，故應力測點布置于左（右）下半部、月牙肋的下半部和左（右）腰線上（見圖3），變形測點布置于左右腰部、頂部、底部、進水口悶頭和月牙肋腰線上（見圖4）。

由于鋼岔管不同位置的受力特點不同，故在不同的測點選用不同的應變片，分為單向、雙向及三向應變片。水壓試驗過程中，鋼岔管月牙肋受彎曲應力，沿張合方向變形，因此布置單向應變片；腰線受環向應力和軸向應力，沿環向和軸向變形，因此布置雙向應變片；在焊縫附近或遠離腰線處受力為局部加彎曲應力，變形無規律，因此布置三向應變片。

豐寧抽水蓄能電站根據對鋼岔管受力分析，在內外壁共布置2個單向應變片、24個雙向應變片和28個三向應變片。其中在鋼岔管月牙肋腰線部位內外布置P14、P15兩個單向應變片；在鋼岔管左側腰線布置P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P13共8個雙向應變片，在頂底附近布置P11、P12共2個雙向應變片，在左側支岔腰線布置P24、P25共2個雙向應變片；在鋼岔管左下部布置P7、P8、P9共3個雙向應變片，在中心縱縫附近布置P16、P17、P18、P19共4個三向應變片，在肋旁管殼布置P20、P21、P22、P23共4個三向應變片，在主岔管右腰布置P26、P27、P28共3個雙向應變片。以上所有布點管壁內外均對應布置，且應變片中心距離焊縫邊緣為15～20mm。

圖4 鋼岔管水壓試驗變形測點布置圖Figure 4 Layout of deformation measuring points of steel bifurcated pipe during hydrostatic test

2.5 變形、進水量和水溫測點布置

變形監測的測點布置在岔管的頂、底、腰、主管悶頭中心及月牙肋腰線上（見圖4），共布置10個位移傳感器和1套無線信號采集系統，在各個壓力循環下，按一定的壓力等級采集記錄一次數據。

進水量監測是通過記錄各個壓力等級下注入管內水的體積來實現的，可通過對外置方形水箱的水位監測來推算。

內水溫監測通過內置溫度傳感器進行監測，即將溫度傳感器安裝在鋼岔管內，測試導線從出線裝置引出后接入顯示裝置，環境溫度則由溫度計進行監測[6]。

2.6 水壓試驗過程設定

鋼岔管水壓試驗預打壓目標壓力為4MPa，正式打壓目標壓力為6.9MPa。打壓和泄壓速率設定為0.05MPa/min，且每上升或下降0.5MPa保壓10min，高壓區適當增加保壓時長，圖5為預打壓壓力曲線，圖6為正式打壓壓力曲線。

3 水壓試驗過程監測

圖5 預打壓壓力曲線Figure 5 Preloading pressure curve

圖6 正式打壓壓力曲線Figure 6 Formal pressure curve

根據水壓試驗開展情況總結，本文推薦一種水壓試驗打壓記錄表（見表1）和應力測試記錄表（見表2），以提高水壓試驗安全性。為方便且直觀地對打壓過程應力值、進水量和變形量即時分析，應對應力測試值、進水量和變形量建表并生成折線分析圖。

3.1 應力監測

將應變片通過導線與靜態應變測量分析系統連接起來，調試完畢后進行水壓試驗，記錄每個壓力循環下各個壓力等級對應的應變值[7]。測試結束后計算每個壓力循環下各個壓力等級對應的應力值。表2可用于最大試驗壓力6.9MPa循環下的應力測試記錄。

3.2 變形、進水量和水溫監測

鋼岔管變形、進水量的變化對水壓試驗是否安全是直觀且重要的判斷標準[8]，表2同樣可以用于各個壓力等級下鋼岔管變形和進水量的變化數據記錄，同樣要生成分析圖表以進行即時分析。

表1 鋼岔管水壓試驗打壓記錄表Table 1 Hydraulic test and pressure record of bifurcated steel pipe

表2 鋼岔管水壓試驗應力測試記錄表Table 2 Stress test record of hydraulic test for bifurcated steel pipe

4 結束語

隨著技術發展，抽水蓄能電站出現高水頭大容量的發展趨勢，引水系統采用一洞兩機或一洞多機布置形式可大大減少土建開挖成本，鋼岔管的制造質量尤為重要。水壓試驗可消除鋼岔管的殘余應力，提高整體抗脆斷和抗應力腐蝕能力，保證鋼岔管安全穩定運行。鋼岔管水壓試驗前需完成周密的策劃，確保測點布置合理，試驗過程安全。