等徑三通岔管水壓試驗與應力測試結果分析

丁高亮，柳振華，劉大偉，馬彤彤，常方圓

（水利部長春機械研究所，吉林 長春 130012）

1 引言

南水北調配套工程大興支線工程施工第十標段，工程起點為大興區劉家鋪村新機場水廠分水口，終點為大廣高速西側，樁號范圍1+430.000~7+260.000，中心導線長約5.83 km。主要工程內容包括新建2 條DN1 800 mm 輸水管道，其中明挖段長約2×5 724 m，頂管段長2×106 m；新建排氣閥井11 座，連通閥井1 座，檢修閥井2 座，流量計井1 座，排水閥井2 座，以及閥井連接路。此標段共8 個岔管，岔管形式為等徑三通，其平面結構如圖1 所示。鋼岔材質Q345R，主管、支管壁厚16 mm，正腰梁、斜腰梁壁厚36 mm，連接柱直徑120 mm。根據設計圖紙要求對該標段岔管進行了水壓試驗與結構應力測試，岔管設計工作壓力為0.25 MPa。

圖1 鋼岔管結構圖

鋼岔管具有板材厚、焊縫多、約束度大、受力復雜等結構特點[1]，在焊接過程中應采取合理的焊接工藝，并依據規范對焊縫質量進行檢測。特別是焊接難度較大的連接柱與岔管組合焊縫，應嚴格按焊接工藝并選擇經驗豐富的焊工施焊，避免因焊縫問題導致水壓試驗失敗，造成不必要的損失。本次水壓試驗與應力測試前，岔管所有焊縫均已進行質量檢測，且結果均符合規范要求。

岔管應力測試與水壓試驗同步進行，可實時了解岔管在水壓試驗時結構應力變化情況，試驗中，如有測點應力值出現異?，F象，應立即停止試驗，分析異?，F象原因，判定是否可繼續試驗，確保岔管試驗安全[2]。

2 試驗目的

（1）檢驗岔管設計合理性、制造可靠性；

（2）降低焊接殘余應力、均化應力峰值；

（3）以超載水壓檢驗岔管整體安全余量；

（4）分級加載使缺陷尖端發生塑性變形，鈍化缺陷尖部；

（5）了解岔管主要受力部位的應力分布，為其安全運行提供有力保障[3]。

3 試驗條件

岔管水壓試驗在廠內進行，3 個管口均采用球形悶頭。沖水前將加壓系統、排氣閥、排水閥、沖水閥、應變測試系統安裝完畢，加壓管路安裝在支管悶頭中心部位，2 塊精密壓力表安裝于主管段2 悶頭中心處（根據以往經驗，安裝2 塊精密壓力表是十分必要的，不僅可作為互相參照，還有效避免安裝1塊壓力表時，因其堵塞、失穩等異常現象引起的試驗誤判）。岔管除鞍形支撐外，無其他約束。

試驗水源取地下井水，水量充足，現場環境溫度12℃，水溫12℃，滿足規范要求[4]。

4 試驗過程

4.1 水壓試驗過程

第1 次：加壓過程，以不大于0.3 MPa/min 的速度分級加壓至工作壓力0.25 MPa，保壓30 min，此時2 塊壓力表指針穩定，無顫動現象，對岔管整體、所有焊縫和各個閥件進行全面檢查；

第2 次：加壓過程，使壓力到達最大試驗壓力0.9 MPa，保壓30 min，2 塊壓力表指針穩定，無顫動現象，對岔管整體、所有焊縫和各個閥件進行全面檢查；

第3 次：卸壓過程，以不大于0.5 MPa/min 的速度使壓力卸至工作壓力0.25 MPa，保壓30 min，無異常情況，卸除管內壓力；

第4 次：卸壓過程，將壓力卸至初始狀態，打開排氣閥、排水閥，排空水分，拆除設備，試驗結束。

4.2 應力測試過程

4.2.1 測試設備

（1）采用EY216 無線靜態測試系統，其測試原理為電測法，將電阻應變計用特制膠水粘貼在岔管各個測點部位，應變計隨岔管變形而變形，產生阻值的變化，通過測試系統將其信號轉換放大，獲得應變值，進而計算出該測點應力分量。

（2）EY216 測試范圍為±19 999 με，分辨率1 με，零漂不大于2 με/h，每臺數據采集箱可測8個測點，每臺電腦可控制256 臺數據采集箱，通信接口為ZigBee 無線通信接口，自動平衡范圍±15 000 με，測量結果修正系數范圍0.000 0~9.999 9，鋰電池容量5 000 mA。

（3）采用BE120-5AA 型單向電阻應變計和BE120-4BB 型雙向電阻應變計。

4.2.2 測點布置

根據等徑三通鋼岔管本身受力特征、以往經驗及現場實際條件，測點主要布置在岔管腰線上典型部位及岔管頂部典型部位。本次共布置21 個測點，其中雙向測點11 個，單向測點10 個。測點1~測點11、測點21 位于岔管腰線部位，其余測點位于岔管頂部。由于岔管腰梁部位的典型受力特征，因此，測點1~測點3、測點7、測點8、測點16~測點19 均布置在腰梁不同部位。其中，測點16 位于正腰梁靠近連接柱上部，測點17位于正腰梁靠近連接柱下部；測點18 位于斜腰梁2 靠近連接柱上部，測點19 位于斜腰梁2 靠近連接柱下部。為確保水壓試驗可靠安全，所有測試點均布置在管壁外[5]。詳細布點如圖2 所示。

圖2 測點布置圖

4.2.3 測試工況

岔管靜態應力測試與水壓試驗同步實時進行，在岔管內充滿水、排氣充分且應力測試系統平衡調零后開始升壓，在整個過程中實時進行應力測試。

5 測試結果與分析

5.1 材料允許應力值

岔管為Q345R 鋼，岔管管壁板厚為16 mm（σs為345 MPa），腰梁板厚為36 mm（σs為325 MPa）。根據SL/T 281-2020《水利水電工程壓力鋼管設計規范》規定[6]，焊縫系數φ為0.95，水壓試驗屬于特殊荷載組合，整體膜應力區允許應力[σ]1為229.4 MPa（0.7σsφ），局部膜應力區允許應力為3.5以內及轉角點處管壁表面262.2 MPa（0.8σsφ）和腰梁部位247.0 MPa（0.8σsφ），局部膜應力+彎曲應力區允許應力為 327.8 MPa（1.0σsφ）。

5.2 測試結果

5.2.1 水壓試驗測試結果

水壓試驗整個過程中岔管未出現滲氣、滲水、異響及焊縫開裂等異?，F象[7]，壓力表指針穩定，無顫動現象[8]，詳細結果見表1。

表1 岔管水壓試驗結果

5.2.2 應力測試結果

各測點應力分量測試結果見表2。符號“x”表示順水流軸向方向，符號“θ”表示沿圓周環向方向，“r”表示沿直徑方向。彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。

表2 各測點應力分量測試結果

岔管典型應力分量實時曲線如圖3 所示，圖中可明顯看出水壓由0 MPa 升至0.25 MPa、0.25 MPa升至0.9 MPa、0.9 MPa 降至0.25 MPa、0.25 MPa降至0 MPa 整個過程測點應力分量變化情況。

圖3 測點6θ 應力分量實時曲線

5.3 測試數據分析

（1）岔管在加壓過程中，整體受拉應力較大。各測點應力分量值與水壓變化呈良好的線型關系。應力測試系統穩定可靠且各測試部位均處于彈性變形狀態；

（2）岔管同一應力區對稱或平行測點應力分量分布規律及數據均十分接近，各測點準確可靠反映出岔管水壓過程結構應力變化情況；

（3）岔管管壁整體膜應力區測點均承受拉應力，當壓力達到最大試驗壓力0.9 MPa 時，岔管整體膜應力區測點應力分量26.93 MPa~92.50 MPa，遠低于整體膜應力區允許應力229.4 MPa；

（4）岔管局部膜應力區測點既承受拉應力又承受壓應力，除測點17、測點19 徑向和環向均承受壓應力外，其余測點均為徑向拉應力、環向壓應力，當壓力達到最大試驗壓力0.9 MPa 時，局部膜應力區各測點應力分量-30.76 MPa~73.11 MPa，遠低于局部膜應力區允許應力247.0 MPa；

（5）岔管局部膜應力+彎曲應力區測點既承受拉應力又承受壓應力，當壓力達到最大試驗壓力0.9 MPa 時，各測點應力分量-10.81 MPa~66.31 MPa，遠低于局部膜應力+彎曲應力區允許應力327.8 MPa。

6 結語

試驗過程中岔管未出現滲漏、異響及焊縫開裂現象，且各測點應力分量值均遠小于其允許應力，表明等徑三通岔管設計合理，制造質量滿足要求。等徑三通岔管腰部及上壁局部承受應力分量較大，在水壓試驗過程中及供水系統運行時應加強監測。同時焊縫質量亦是岔管安全運行的重要因素，故在制造和今后的安裝過程中，應加強焊接質量控制。