新疆夏特水電站國內首個水平底鋼岔管水壓試驗應力變形檢測

徐 云 斌， 胡 建， 薛 晟 黎

(1.阿壩水電開發有限公司，四川 成都 610041； 2.克州新隆能源開發有限公司，新疆 烏恰 845450)

1 概 述

壓力鋼管是水電工程中輸水建筑物的重要組成部分,承受著較大的內水壓力以及自身的重量和水重，對整個電站的安全運行有著重要的影響。由于新型焊接技術和高強鋼的廣泛運用，壓力鋼管的制造越來越大型化，但同時焊接缺陷等問題在制造過程中仍無法消除[1]。因此,壓力鋼管在投入運行前進行水壓試驗有著重要的意義。水壓試驗不但可以在超載內壓情況下暴露結構缺陷，檢驗結構整體安全度，也可在緩慢加載條件下，使缺陷尖端發生塑性變形從而造成缺陷尖部鈍化。

因此,水壓試驗是對壓力鋼管設計、制造合理性與正確性一次全面的驗證，是檢驗設計、制造科學性、經濟性、合理性的可靠手段，是對材料選擇及焊接工藝等的全面檢驗。

壓力鋼管在水壓試驗的不同壓力狀態下會產生不同的變形,并有一定的限度和規律。如果變形超出一定限度或違反正常規律,則說明其工作狀態不正常,應及時采取相應的措施。因此，需要采用變形測試以了解壓力鋼管在水壓試驗不同壓力狀態下的變形情況[2]。變形監測是對被監測的對象或物體進行測量以確定其空間位置隨時間變化的特征。通過水壓試驗監測岔管變型量是否在規范允許內。變形監測是在充水加壓過程中，監測水壓試驗過程中岔管外形的變化趨勢，采用有限元計算的相應水壓下的變形值作為預警值，以保證水壓試驗過程中鋼岔管的安全。

水壓試驗是保證岔管安全運行的重要檢驗手段,不但可以用來檢查焊縫處是否存在缺陷,而且可以用來消減由于焊接所產生的殘余應力。因此,在沒有經過明確的論證和嚴格過程質量控制情況下,鋼岔管應做水壓試驗。水壓試驗一般在現場或工廠進行,可能占用一定工期且實際操作具有一定的復雜性。隨著有限元數值計算技術的不斷發展,對鋼岔管水壓試驗工況進行數值模擬可以預先了解鋼岔管的應力分布,為現場水壓試驗鋼岔管測點的布置、實測應力分布及規律的對比提供依據,也可為鋼岔管水壓試驗設計支撐方案提供參考[3]。另外,對于考慮與圍巖聯合承載設計的地下埋藏式鋼岔管,由于設計時未要求其承擔全部內水壓力,因此水壓試驗壓力不能直接按設計內水壓力的1.25倍進行取值,而是需要通過有限元數值模擬,按照水壓試驗工況的抗力限值試算確定試驗壓力值。

新疆夏特水電站引水壓力鋼管的3個岔管均采用對稱平底岔管型式，以便于防止鋼管內低洼處泥沙於積沉淀，同時保證檢修時鋼管內排水通暢，岔管有1個φ4.7 m/3.3 m和2個φ3.3 m/2.3 m對稱平底岔管，布置在電站廠房前的引水隧洞出口外，岔管按明管設計，承受100%的內水壓力，岔管材料采用07MnMoVR高強度低合金鋼，岔管為“Y”形平底三梁岔，分岔角70°。設計水頭為360 m(含水錘)。由于該岔管結構型式國內暫無工程實例，且規模大，岔管HD值(水頭×管徑=1 692 m2)高，為保證工程設計安全可靠，需要對該岔管進行水壓試驗，并通過水壓試驗數據對有限元設計成果進行分析驗證。水壓試驗設計壓力為P=4.5 MPa(岔管正常運行承受最大內水壓3.6 MPa)。該標段水壓試驗范圍為電站引水隧洞壓力鋼管兩種規格的3個岔管[4]。

2 壓力管道測試

2.1 試驗保溫措施

2.1.1 水溫控制措施

規定的環境條件。為滿足高壓鋼岔管水壓試驗能按照設計要求順利進行,需積極采取有效水壓試驗溫控措施,以確保鋼岔管水壓試驗能順利平穩安全地完成[5]。首先就考慮水壓試驗過程中的注水溫度的控制,具體措施如下:

水溫加熱裝置,其設計思路就是參考了現在很常見的家用即熱熱水器原理及工作特點:不需預熱，無需等待,隨時都可以用上熱水。一般市面上的即熱式電熱水器普遍功率較大,用時只要打開水龍頭,數秒中便可有溫度適宜的熱水供應，十分快捷方便。但選擇的加熱棒的功率還要遠大于家用的,一般家用的即熱熱水器的功率在6～8 kW,可以保證熱水溫度在429 ℃左右,但其輸出的熱水量僅為2.5 L左右。顯然這種出水量難以滿足水壓試驗鋼岔管近150 m3的容量要求,設計的水溫加熱裝置的水箱容量為0.27 m3,按照這一比例進行計算,設計了五根加熱棒,每根加熱棒的功率為12 kW,整個水溫加熱裝置所用的加熱棒功率加起來總和為60 kW，可以將自主設計水箱內的即熱溫度預留在30 ℃左右，也滿足了正常的室溫要求，而實驗結果也正如所預期的,注水溫度達到了279 ℃。這個裝置的安全性能，也是需要重點考慮的環節，在容積為270 L的金屬箱子里面裝置60 kW的加熱棒,很可能會燒毀線路,也會使水箱的水溫過熱。如果不及時處理,會導致給水量不足的情況。為保證水壓試驗的正常進行,需派專職人員,時刻對溫控箱表面溫度進行檢測。最終，發現溫度過熱,就立刻斷電檢修,因此整個實驗過程,均沒有出現類似事件。整個裝置的使用性能也得到了實驗驗證,為今后在惡劣的低溫條件下進行水溫控制提供了借鑒。另外還在取水管外表面均包裹上保溫橡膠海綿，保溫橡膠海綿簡圖見圖1。

圖1 保溫橡膠海綿簡圖

通過這一措施,實驗后表明,基本可以保證從水壓試驗供水處引出的水到水溫加熱裝置處的水溫基本保持不變，在5 ℃左右。但最重要的是,可以預防在極端低溫的外部環境中,細內徑小流量的取水管在室外結冰凍結導致不能正常工作,耽誤水壓試驗進度及岔管交貨進度的情況。經過采用的雙層溫控措施以后,高壓鋼岔管水壓試驗注水水溫在279 ℃。

2.1.2 環境溫度控制措施

在環境溫度控制方面,搭設彩鋼結構防風、防雨雪棚,外面包裹上防雨油布,保證棚子不透風、不透雨、不漏雪,處于一個封閉式狀態，以便于整個棚內的環境溫度能得到控制,將外部惡劣的自然環境隔開。為了能夠將棚內的環境溫度提高到適宜溫度，在搭好的防風棚內的岔管底部平臺上鋪上6組加熱板(6×6=36 塊)，棚子頂部設置9塊加熱板,一共45快加熱板,對水壓試驗施工環境進行提溫，棚內上下各布置1塊測溫計。在這種條件下,底部環境溫度穩定在12 ℃,頂部離加熱板更近,測量溫度在209 ℃,通過這一措施已經滿足了水壓試驗對環境溫度的要求。為防止長時間工作，導致加熱板過熱燒壞，購買了熱電偶,使環境溫度可以設置在一個數值上,方便對環境溫度進行控制，同時又可以避免加熱板不間隙工作，導致電路疲勞工作引起線路燒毀，更讓工作人員減少控溫工作量。同時安排維護電工定時檢查電路安全狀態,保證水壓試驗全過程的環境溫度控制環節不出現故障。

2.2 監驗方法和過程

2.2.1 測試設備

該次試驗監測所用主要儀器設備有：位移傳感器、靜態應變儀、應變計。該次試驗監測所用主要儀器設備見表1。

表1 該次試驗監測所用主要儀器設備

(1)采用江蘇金誠測試儀器廠WYC型位移傳感器，量程0～20 mm，環境溫度-30 ℃～65 ℃，0.5% FS。

(2)采用江蘇東華測試技術有限公司DH3816N靜態應變儀，量程±15 000 με。

(3)采用中航電測TJ120-4AA、TJ120-3CA、TJ120-3BB應變計，電阻：120±0.5 Ω，靈敏度系數：2.10±1%，適用溫度：0 ℃～80 ℃，準確度0.1。

2.2.2 悶頭制作與安裝

悶頭使用同岔管材質相同鋼材制作過渡錐，其焊接均按照DL5017-2007《水電水利水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規范》的要求進行，并使用加強勁板連接加固，在高壓力的情況下不發生任何超標的變形。在封堵悶頭上設置補排氣閥，通過布置連通管，將岔管最高處的位置連通到補排氣閥上，一旦充水加壓時，可將管道內最高處的空氣排出。在封堵悶頭上設置充水閥及一套高壓水泵和一套排水閥。φ4.7 m/3.3 m 悶頭尺寸偏大,分5瓣運至安裝現場并組裝成整體,2個φ3.3 m/2.3 m悶頭整體制作運輸至現場。

2.2.3 打壓準備

(1)岔管組裝和焊接完成后,檢查岔管的相關幾何尺寸,對焊縫進行無損探傷檢查,檢查結果應合格,并由現場監理工程師的簽字認可。

(2)檢查岔管支撐加固情況,由于充水后的岔管重量比較重(估算1 900余t),因此必須保證支撐的強度和穩定性。將原有的獨立支墩,用φ30圓鋼連接成整體,并根據現場實際情況分段用混凝土筑成環狀支墩。支墩應避開焊縫位置,并預留檢查通道。

(3)在岔管周圍布置兩臺排水泵，做好排水應急措施,排水管路直接敷設到道耶坎河下游。

(4)水壓試驗所需的相關試驗設備及專用工器具準備好，將電動加壓泵排氣閥、進水閥、泄壓閥、壓力表計組裝就位，檢查打壓設備工作是否正常，管路連接是否正確且檢測儀表顯示是否正常。

(5)檢驗進水口和排氣口的安裝情況，檢查焊縫的質量情況。

(6)在岔管周圍需要對稱搭設腳手架和爬梯,作為在水壓試驗時對試驗情況進行觀測和檢查的安全通道。

(7)選用量程0～4.0 MPa壓力表分別裝在悶頭頂部與底部。在充水過程及建壓開始階段,水壓變化較小，可加裝量程0～1.0 MPa壓力表,以檢測初期壓力變化過程。

(8)在岔管頂部、底部、兩側腰部分別布置百分表,用來監測充水和壓力試驗過程中岔管的變形情況,以及泄壓排水后,岔管變形恢復情況。在現場條件允許的情況下,根據數據需要,其他部位可以加裝百分表,同時增加數據記錄人員的投入。這樣可以更加真實地了解岔管在充水及壓力試驗過程中的變形或位移情況。

2.2.4 打壓試驗程序

(1)將充水用的軟管牽引至岔管附近,通過旁通閥對岔管進行注水，需要注意的是,在注水時應開啟悶頭上部的排氣閥,進行充分排氣,避免岔管內部形成空腔。觀察排氣管,當上部出水且不再有氣泡時關閉旁通閥與排氣閥,岔管注水結束。

(2)開啟電動試壓泵,開始對岔管進行逐步加壓。檢查所有閥門及其與岔管連接處有無漏水情況，如果發現異常情況，暫停加壓并進行處理。由于主岔管與次岔管連成整體打壓,體積較龐大,壓力上升較慢,需要兩臺電動試壓泵同時向岔管內加壓,待壓力接近試驗壓力時，關閉一臺電動試壓泵。

(3)水壓試驗壓力應緩慢上升,上升速度控制在0.05 MPa/min以內。當水壓緩慢升至設計壓力時,關閉電動試壓泵,停止加壓,保持當前壓力10 min。

(4)岔管水壓試驗過程中，如發現泄漏或其他異常現象時,應立即關閉電動試壓泵，停止加壓,如需要處理焊縫或法蘭把合面時,必須在岔管泄壓后進行。

(5)岔管水壓試驗升壓降壓過程均順利完成,試驗過程未發現異常現象，經現場監理、設計人員、業主會簽后水壓試驗結束。

(6)水壓試驗驗收全部合格,則將岔管整體移交給土建單位,并進行回填混凝土，混凝土回填過程中,應派專人在現場進行監測,避免岔管發生位移的情況。

2.3 監測點布置

2.3.1 布點原則

根據試驗方案要求,考慮“Y”形平底岔管結構型式和國內暫無工程實例，且規模大。在岔管進口的側面、底部和出口的側面、底部，架設9只千分表，監測變形量，鋼岔管應力測量的重點部位為鈍角區、肋板旁管殼區和月牙肋板處，悶頭和連接錐管段亦應布置部分測點。

2.3.2 水壓試驗變形測試

千分表分別布置在岔管進口的側面、底部和出口的側面、底部，千分表編號以順時針方向，共 9 個測點，岔管水壓試驗變形觀測布置簡圖見圖2。

根據月牙形內加強肋岔管的受力特征，鋼岔管應力測量的重點部位為鈍角區、肋板旁管殼區和月牙肋板處，悶頭和連接錐管段亦應布置部分測點。岔管水壓試驗應變片布置簡圖見圖3。

圖2 岔管水壓試驗變形觀測布置簡圖

新疆夏特水電站的岔管均采用對稱平底岔管型式，為能將水壓試驗數據與有限元設計成果進行分析驗證，在岔管的主管、支管、支錐及肋板上分別設置電阻應變片。鋼岔管內部管壁及肋板共布置測點26 個，其中 5 個三向應變片測點，21 個雙向應變片測點(位置見圖3)。分別為：主管內壁布置 3 個雙向測點，測點編號為 A1、A2 和A3；主管與支錐管相交內壁部位布置 3個雙向測點，測點編號為 B1、B2、B3；支錐管與支管相交內壁部位布置 3 個雙向測點，測點編號 C1、C2、C3；U 梁與支錐管相交內壁部位布置 5 個三向測點，測點編號為 D1、D2、D3、D4、D5；U 梁內緣布置 9 個雙向測點，測點編號為 E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9；支管內壁布置 3 個雙向測點，測點編號 F1、 F2 和 F3。岔管外部管壁共布置測點 15 個，其中 3 個三向應變片測點，12 個雙向應變片測點。分別為：主管外壁布置 3 個雙向測點，測點編號 G1、G2 和 G3；主管與腰梁相交外壁部位布置 3 個三向測點，測點編號 H1、H2 和 H3；支錐管外壁靠 U 梁及腰梁附近布置 3 個雙向測點，測點編號 I1、I2 和 I3；支錐管與支管相交外壁部位布置 3 個雙向測點，測點編號 J1、J2 和 J3；支管管壁外壁布置 3個雙向測點，測點編號 K1、K2 和 K3。應變片的布置按軸向、環向定義。所有測點位置打磨拋光，清洗干凈。

圖3 岔管水壓試驗應變片布置簡圖

2.4 監測成果

2.4.1 變形測試結果與分析

鋼岔管內充滿水，儀器調零，根據水壓試驗工作程序，達到一定水壓時記錄變形數據。

在試驗過程中，分別在 0 MPa、0.9 MPa、1.8 MPa、2.8 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa、3.6 MPa、2.8 MPa、1.8 MPa、0.9 MPa卸壓至 0 MPa 時記錄千分表變形數據：

1號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，最大變形值為 3.026 mm，位于進口左側 3號測點處，滿足規范要求。

2號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，最大變形值為 1.419 mm，位于進口底部 2號測點處，滿足規范要求。

3號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，最大變形值為 1.274 mm，位于右側出口右側 4號測點處，滿足規范要求。

2.4.1 應力監測結果與分析

鋼岔管內充滿水，儀器調零，根據水壓試驗工作程序，達到一定水壓時采集應力應變數據。

在試驗過程中，分別在 0 MPa、0.9 MPa、1.8 MPa、2.8 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa、3.6 MPa、2.8 MPa、1.8 MPa、0.9 MPa、卸壓至 0 MPa 時采集數據。

1號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，管壁最大應力值為 253.5 MPa，位于 J2 測點；月牙肋最大應力為 170.9 MPa，位于 E5 測點，各測點最大應力值均小于許用值。

2號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，管壁最大應力值為 292 MPa，位于 D4測點；月牙肋最大應力為 136.4 MPa，位于 E5 測點，各測點最大應力值均小于許用值。

3號鋼岔管水壓在 4.5 MPa 時，管壁最大應力值為 298.2 MPa，位于 D4 測點；月牙肋最大應力為 137.1 MPa，位于 E5 測點，各測點最大應力值均小于許用值。

3 結 語

通過上述幾項溫度控制措施,保證鋼岔管水壓試驗時的環境溫度及水的溫度滿足設計要求，從而保證了鋼岔管水壓試驗得以順利進行。通過對水電站水平底鋼岔管水壓試檢應力變形檢測，試驗表明岔管的設計是合理和正確的，鋼材性能可靠,焊接接頭性能良好，同時通過試驗削平了殘余應力的峰值。鋼岔管完全可以滿足充水發電的要求。通過試驗應力和變形都在可控范圍之內，也表明該工程岔管安裝與厚板焊接的重點和難點得到了攻克。水壓試驗進行順利，岔管各項指標均滿足設計和規范要求。