滇中引水工程倒虹吸鋼管應用Q460鋼的水壓試驗研究

伍鶴皋，李端正，王 濤，喬鵬飛，李天興

（1. 武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢 430072； 2. 中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710000；3. 電力工業金屬結構設備質量檢測中心，河南 鄭州 450000）

1 概 述

滇中引水工程是國務院確定的172項節水供水重大水利工程中的標志性工程之一，是云南省“五網”建設的戰略性基礎工程，將為云南省經濟發展起到重要支撐作用。該工程全長664.24 km，由輸水隧洞、渡槽、倒虹吸、暗涵等輸水建筑物組成。由于沿線地形條件復雜，全線共布置了25 座倒虹吸，總長42.595 km，占線路長度比例為6.41%，成為長距離引調水工程的重要組成部分。其中楚雄段及昆明段共布置5座鋼管倒虹吸以跨越區內的深切溝谷河流及盆地區為主，鋼管倒虹吸總長12.81 km，均采用三根直徑4.20 m 壓力鋼管輸水，鋼管規模巨大，總鋼材用量達10 萬t。倒虹吸鋼管結構及支承環尺寸［1］見圖1。

圖1 倒虹吸鋼管結構體形圖（單位：mm）Fig.1 Structural figure of inverted siphon steel pipe

在工程初步設計階段，中電建昆明勘測設計研究院有限公司以承壓水頭較高的龍川江倒虹吸（最大靜水頭205.8 m）、觀音山倒虹吸（最大靜水頭164.2 m）為代表對高壓段管材采用Q460C、Q500C、Q550C、Q620C 等高強鋼方案進行了經濟比選［1］，比選結果表明低壓段采用Q355C、高壓段采用Q460C的組合方案具有一定的經濟優勢。

雖然Q460C 鋼材在市政建筑工程等行業已普遍應用［2-5］（主要用作為結構鋼），但其在水利水電行業壓力管道工程中的應用很少，而就水利水電行業的壓力管道而言，其板材的延伸率等性能指標均比結構鋼要求更高。根據水利水電工程壓力鋼管設計規范SL281-2020［6］的規定，當工程中采用新材料或新型結構制作鋼管時，為確保工程質量和安全，必須進行水壓試驗。但是，目前的水壓試驗絕大多數都是針對鋼岔管的縮尺模型試驗［7-10］，對原型尺寸（直徑達4.2 m）鋼管進行的水壓試驗尚未見報道。為此本文對采用Q460C 鋼材的倒虹吸鋼管開展大比尺結構模型試驗研究具有非常高的工程實用價值，試驗成功后可將研究成果應用于滇中引水工程或類似工程的高水頭倒虹吸鋼管上。

2 試驗目的與內容

2.1 水壓試驗的目的

（1）通過水壓試驗檢驗設計方案的合理性和施工質量的可靠性、結構安全；

（2）通過對水壓試驗過程中工作應力的測試，找出應力分布規律；

（3）通過水壓試驗前后焊接殘余應力對比，評價水壓試驗消除焊接殘余應力的效果；

（4）通過水壓試驗檢驗Q460C 鋼材和相關焊接質量的可靠性，保證引水鋼管安全運行。

2.2 水壓試驗內容

（1）引水鋼管水壓試驗前焊接殘余應力測試；

（2）水壓試驗過程中內水壓力、變形、管殼及支承環的應力應變，不同壓力下的進水量測試；

（3）引水鋼管水壓試驗后焊接殘余應力測試；

（4）引水鋼管水壓試驗超載爆破試驗。

3 模型設計、加載與測試

3.1 模型設計

水壓試驗模型比尺采用1∶1，悶頭采用矢高為900 mm 的橢圓形悶頭，其中管壁和悶頭部分板厚28 mm，支承環處板厚為25 mm，均采用Q460C鋼板，其他模型尺寸如圖2所示。

圖2 水壓試驗模型設計（單位：mm）Fig.2 Hydraulic test model design

3.2 模型加載

整個水壓試驗加壓系統由充水系統、排水系統以及增壓系統等組成，在壓力鋼管和下游悶頭連接處安裝一個壓力表。其中增壓系統由試壓泵、各種閥門、壓力表及管路組成。水壓試驗加壓過程壓力曲線見圖3。

圖3 水壓試驗加壓過程曲線Fig.3 Hydrostatic test pressurization process curve

3.3 模型測試

（1）應力測試設備：DH3816N 型靜態應變測量分析系統，量程±30 000 με，精度不大于測量值的0.5%±3 με，零點漂移＜3 με∕4 h，采樣頻率1 Hz。

（2）測點布置。水壓試驗以模型結構下游側半部作為測試對象，共設置A、B、D三個管壁測試斷面和一個支承環測試斷面C，位置詳見圖4，每個斷面的測點布置詳見圖5所示。

圖4 應力測試斷面布置Fig.4 Stress test section layout

圖5 應力測點布置Fig.5 Stress test point layout

水壓試驗時，采用固定于支架上的位移傳感器來測量每個測點的變形，支架不隨鋼管的變形而變動，測點的布置如圖6所示。兩個悶頭變形測量，分別在悶頭兩端中心點位置分別設置1個測點，測點編號為W9和W10。

4 模型測試結果與分析

4.1 水壓試驗前、后焊接殘余應力測試

（1）測試方法：壓痕應變法。殘余應力測試方法采用無損的壓痕應變法，壓頭直徑1.588 mm，壓痕直徑約1.1 mm、深度0.2 mm。測量時將應變片的應變柵分別沿著與焊縫平行和垂直的方向黏貼，按標準GB∕T 24179-2009［11］執行。

（2）測試設備：KJS-3型壓痕應變法應力測試系統；應變計：BA120-1BA（11）-ZKY。

（3）測點布置：在鋼管上選擇具有代表性的測試部位進行應力測試，具體為鋼管管節環縫（B斷面）測試4點，支承環（C斷面）焊縫測試3點。

（4）測試時機：水壓試驗鋼管充水前進行一次測試；水壓試驗后，排干管內的水，再進行一次測試。

圖6 A、C斷面位移測點布置Fig.6 Displacement test point layout

（5）測試數據分析：通過水壓試驗，壓力鋼管的焊接殘余應力均有下降的趨勢，部分測點下降明顯。其中水壓試驗前壓力鋼管焊接殘余應力最大值位于B 斷面管底測點，應力值為581 MPa，水壓試驗后該測點應力值為408 MPa，降幅達30%。殘余應力測試前平均應力值σx為525 MPa，σy為362 MPa，測試后平均應力值σx為391 MPa，σy為218 MPa，降幅分別為25.5%和40%，與振動消應效果30%的標準［12］相比，說明此次水壓試驗消除殘余應力效果明顯。

4.2 結構應力測試

由于篇幅限制，本文僅列出在試驗壓力4.5 MPa 循環下的模型鋼管部分測點內壁的應力測試數據，詳見表1，并擬合了NP1、NP3、NP5、NP7 四個測點應力隨內壓的變化曲線，如圖7所示。

圖7 NP1～NP7測點環向應力隨內壓變化曲線Fig.7 Variation curve of circumferential stress with internal pressure at measuring points NP1 ～ NP7

（1）從水壓試驗應力測試數據看，各測點的應力值和試驗壓力值呈較好的線性關系，說明測量系統（包括應變片處理、儀器等）穩定可靠，系統非線性誤差得到了很好的控制。

（2）測試數據表明，1.25倍設計壓力等級（2.82 MPa）下的內壁最大應力227.80 MPa，外壁最大應力196.50 MPa，低于Q460C鋼材特殊工況下的允許應力293 MPa，說明該倒虹吸鋼管所取管壁厚度可以滿足水壓試驗工況的要求；以鋼管中間斷面上下左右NP1、NP3、NP5、NP7 四個測點為例做應力分析，可以看出各控制點內外壁應力值線性度良好，說明鋼管各測試點處于彈性變形狀態。

4.3 變形測量

各壓力等級對應的位移測試數據詳見表2。

（1）測試數據表明，除了W2、W6 測點外，其他測點在各個壓力等級下均向外膨脹變形，變形量隨水壓值單調增加；當壓力達到4.50 MPa 時，鋼管本體測點W4 最大徑向變形量為6.53 mm；兩端悶頭測點W9、W10 法向位移（沿管軸向）最大達到了11.3 mm，表明鋼管模型在內壓作用下沿軸向向兩端伸長。

（2）加壓過程中，鋼管右側測點W2、W6（面向下游）腰部向內收縮，其余部位均向外膨脹，周向整體膨脹程度一致。鋼管右腰向內變形的原因可能是：模型管體成型和支承環焊接完成后，根據探傷結果又對環縫以及左腰下部的縱縫進行了返修，這樣可能改變了結構的變形特性。另外支承環左腰對接焊縫在試驗過程中最先出現撕裂破壞，也說明該處焊縫質量存在缺欠，導致整個管體向左側膨脹。

4.4 進水量測量

壓力鋼管模型體積變化是通過記錄各個壓力等級下注入管內水的體積來實現的，壓力鋼管體積變形曲線測試主要考察試驗壓力與注水量變化關系。各壓力等級對應的累計鋼管進水量詳見圖8。由圖8 中可以看出，模型在4.50 MPa 之前鋼管進水量與壓力值基本呈線性關系，說明鋼管模型基本還處于彈性變形狀態。

表1 各壓力等級下鋼管內壁測點應力值MPaTab.1 Stress values of measuring points on the inner wall of steel pipes under various pressure levels

5 鋼管爆破試驗

由上面測試結果可以看出，當水壓試驗壓力達到4.50 MPa時，鋼管模型基本還處于彈性階段。為了解Q460C 鋼管模型的極限承載能力，本文對模型壓力鋼管進行了水壓爆破試驗，即對鋼管模型進行了超載試驗。當試驗壓力增加到7.50 MPa 時，在鋼管下游側支承環左腰部位（如圖9中圓圈所示位置）對接焊縫出現開裂，導致壓力鋼管管壁撕裂破壞。

在壓力鋼管爆破試驗加載過程中，記錄了各個壓力等級下鋼管環向應變值、位移和進水量數據。為了節省篇幅，本節僅列出壓力鋼管爆破試驗中各壓力等級下A 斷面管頂測點環向應變、徑向位移的變化曲線，如圖10、11所示。

從圖10可以看出，在試驗壓力達到6.0 MPa之前，各測點測得的應變值與試驗壓力基本呈線性關系，此時鋼管應力已經接近其屈服強度460 MPa；當試驗壓力超過6.0 MPa 以后，由于鋼管應力超過其屈服極限導致鋼管明顯膨脹。由圖8、11 所示超過6.0 MPa 壓力等級下的進水量和位移數據值也可以證明這一點，說明在鋼管應力達到屈服極限之前鋼管徑向位移、進水量與試驗壓力具有良好的線性度，但當鋼管應力超過屈服極限之后其位移變化和體積膨脹明顯。這也說明由Q460C 鋼材制成的鋼管具有足夠的塑性和韌性，其破壞形式為延性破壞。

6 結 論

通過滇中引水工程某倒虹吸鋼管1∶1大比尺模型水壓試驗及爆管試驗研究，可以得到以下結論。

表2 模型壓力鋼管水壓試驗位移測試數據mmTab.2 Displacement test data of model penstock hydrostatic test

圖8 各壓力等級下進水量曲線Fig.8 Water inflow curve under various pressure levels

圖9 鋼管破壞位置及形態Fig.9 Failure position and shape of steel pipe

（1）在水壓試驗壓力2.82 MPa之前，鋼管應力∕應變～壓力、位移～壓力曲線呈良好的線性關系，說明此時壓力鋼管處于彈性變形工作狀態。

（2）在水壓試驗壓力2.82 MPa 下，鋼管內壁最大應力227.80 MPa，外壁最大應力196.50 MPa，低于Q460C 鋼材特殊工況下的允許應力293 MPa，說明該倒虹吸鋼管采用Q460C 鋼材并取管壁厚度為28 mm，可以同時滿足正常運行工況和水壓試驗工況的要求。

圖11 A斷面管頂測點位移值Fig.11 Displacement value of measuring point on the top of section A

（3）該倒虹吸鋼管設計壓力2.26 MPa，實際爆破壓力為7.50 MPa，爆破壓力是設計壓力的3.3倍，有足夠的安全裕量，材料強度上能夠滿足SL281-2020 水利水電工程壓力鋼管設計規范的相關規定，說明Q460C 鋼材可以應用于滇中引水工程中的倒虹吸鋼管結構。