毛爾蓋水電站取消岔管水壓試驗(yàn)的可行性研究

陳紹英，陳子海

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 工程概況

毛爾蓋水電站位于四川省黑水河中游紅巖鄉(xiāng)至俄石壩河段，是黑水河流域水電規(guī)劃二庫(kù)五級(jí)方案開(kāi)發(fā)的第Ⅲ梯級(jí)電站。電站采用混合式開(kāi)發(fā)方式，其主要建筑物由首部大壩樞紐、引水系統(tǒng)、廠區(qū)樞紐等建筑物組成，電站引用流量219m3/s，裝機(jī)容量420MW(140MW×3)。

引水系統(tǒng)包括進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力鋼管等建筑物。壓力管道布置為地下埋藏式，采用一管三機(jī)聯(lián)合供水方式。壓力管道由上平段、斜井段、下平段、岔支管段組成。下平段主管末端設(shè)置兩個(gè)月牙肋鋼岔管。

壓力管道岔管部位，上覆巖體厚度約85m，巖層產(chǎn)狀陡傾山內(nèi)，走向與洞軸線大角度相交。巖性為中厚層砂巖夾千枚巖，微新～弱風(fēng)化，巖體較完整或者完整性較差，多呈次塊狀～鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，洞室潮濕，屬Ⅲ2類圍巖。

2 岔管基本資料

岔管承擔(dān)靜水壓力為268m水頭，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為336m水頭(含水擊)。岔管結(jié)構(gòu)采用埋藏月牙形內(nèi)加強(qiáng)肋鋼岔管(簡(jiǎn)稱“月牙肋鋼岔管”)獨(dú)立承擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)。岔管的水壓試驗(yàn)最大壓力值采用3.7MPa。岔管參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 岔管基本參數(shù)

Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)岔管平面示意見(jiàn)圖1、2。

圖1 Ⅰ號(hào)岔管平面示意

圖2 Ⅱ號(hào)岔管平面示意

岔管采用寶鋼生產(chǎn)低焊接裂紋敏感性高強(qiáng)鋼B610CF，焊接裂紋敏感性指數(shù)Pcm≤0.27%。

3 研究取消水壓試驗(yàn)的必要性

毛爾蓋水電站月牙肋鋼岔管尺寸大、水壓試驗(yàn)水頭較高，進(jìn)行水壓試驗(yàn)的悶頭制造周期長(zhǎng)，費(fèi)用高。因此，有必要研究取消水壓試驗(yàn)的可行性。

4 取消水壓試驗(yàn)的可行性

對(duì)岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)的目的是：

(1)以超載內(nèi)壓暴露結(jié)構(gòu)缺陷，檢查結(jié)構(gòu)整體安全度。水壓試驗(yàn)是對(duì)設(shè)計(jì)和施工(含土建、制作安裝等)的檢驗(yàn)。月牙肋鋼岔管設(shè)計(jì)不僅經(jīng)過(guò)了小關(guān)子、冷竹關(guān)、福堂、姚河壩等多個(gè)高水頭水電站的運(yùn)行驗(yàn)證，以及南埡河三級(jí)等水電站水壓試驗(yàn)成果與設(shè)計(jì)計(jì)算的比較，都證明了設(shè)計(jì)理論的正確和完善。包括B610CF在內(nèi)的600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼在高水頭水電站的應(yīng)用越來(lái)越普遍，以及焊接材料、工藝及無(wú)損探傷技術(shù)的進(jìn)步，大大提高了制作質(zhì)量的可靠性。因此，通過(guò)精心設(shè)計(jì)，采取嚴(yán)格的超聲波或射線探傷等質(zhì)量檢查手段，可以保障岔管的整體安全。

(2)在緩慢加載條件下，缺陷尖端發(fā)生塑性變形，使缺陷尖部鈍化，卸載后產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。通過(guò)水壓試驗(yàn)可使探傷難以發(fā)現(xiàn)的微觀缺陷尖端發(fā)生塑性變形，卸荷后形成預(yù)壓應(yīng)力，減小應(yīng)力集中程度，增加結(jié)構(gòu)安全度。毛爾蓋水電站岔管結(jié)構(gòu)采用埋藏月牙肋鋼岔管獨(dú)立承擔(dān)內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)，管殼在運(yùn)行過(guò)程中的應(yīng)力均小于材料的屈服強(qiáng)度。因此，通過(guò)水壓試驗(yàn)形成預(yù)壓應(yīng)力的必要性較小。

(3)焊接殘余應(yīng)力和不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力，水壓試驗(yàn)加壓時(shí)可能達(dá)到屈服，卸壓后得到削減。通過(guò)對(duì)已完成壓水試驗(yàn)工程的分析，水壓試驗(yàn)一般可消除10%-30%焊后殘余應(yīng)力。根據(jù)國(guó)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理也可以起到降低岔管焊后殘余應(yīng)力的作用。

5 取消水壓試驗(yàn)的工程措施

基于毛爾蓋水電站月牙肋鋼岔管規(guī)模適中，包括B610CF在內(nèi)的600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼應(yīng)用較廣泛，借鑒國(guó)內(nèi)一系列工程的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)岔管制作、安裝過(guò)程質(zhì)量控制，取消了水壓試驗(yàn)。

取消水壓試驗(yàn)的工程措施主要包括：

5.1 材料復(fù)驗(yàn)

用于岔管部分的鋼板共計(jì)67張，超聲波探傷抽檢了10張，抽檢率為15%，其中用于月牙肋的100mm和120mm厚鋼板抽檢率為100%。經(jīng)過(guò)鋼板抽檢，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

5.2 焊接工藝評(píng)定

進(jìn)行了100mm和120mm厚鋼板立焊焊接、100mm與52mm厚鋼板組合焊縫的焊接工藝評(píng)定。按照焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制相關(guān)的施工技術(shù)措施以及施工過(guò)程控制方案，并嚴(yán)格按照施工措施、方案進(jìn)行施工。

5.3 施工組織設(shè)計(jì)

在岔管瓦片、月牙肋組裝過(guò)程中，對(duì)組裝平行度、焊縫間隙、錯(cuò)邊量進(jìn)行了檢查。

岔管開(kāi)焊前組織了技術(shù)交底會(huì)；進(jìn)行包括外部環(huán)境、焊縫打磨、焊前預(yù)熱(采用溫控儀進(jìn)行加熱)、焊條烘烤等焊前準(zhǔn)備工作檢查。焊接過(guò)程中采用多層多道焊，嚴(yán)格控制焊線能量，焊接接頭錯(cuò)開(kāi)，每一層焊接完成后進(jìn)行焊縫打磨?？v縫焊接方式為自下而上立焊，環(huán)縫焊接方式為橫焊。月牙肋板對(duì)接焊縫為立焊，為防止變形過(guò)大，采用氣體保護(hù)焊，并設(shè)置同材質(zhì)同坡口形式的助焊板。焊接完成后進(jìn)行焊后熱處理，后熱溫度為250℃，保溫三小時(shí)后緩慢降溫。

5.4 焊后無(wú)損檢測(cè)

焊后熱處理24小時(shí)后，將焊縫打磨干凈進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。岔管無(wú)損檢測(cè)采用100%超聲波探傷， 25% TOFD探傷，其中月牙肋焊縫TOFD探傷比例超過(guò)了50%，質(zhì)量控制要求一次合格率不低于95%。無(wú)損檢測(cè)結(jié)果表明，1號(hào)岔管一次合格率97.2%，2號(hào)岔管一次合格率97%。所有缺陷經(jīng)一次返修后復(fù)檢合格。

5.5 振動(dòng)時(shí)效處理

岔管制作完成后，進(jìn)行了振動(dòng)時(shí)效處理以及應(yīng)力測(cè)試工作。由于1號(hào)岔管是主岔管，管徑大、管壁厚，作為振動(dòng)時(shí)效的重點(diǎn)對(duì)象，選擇了2個(gè)激振點(diǎn)。2號(hào)岔管由于相對(duì)較小，選擇了一個(gè)激振點(diǎn)。應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，1號(hào)岔管消除殘余應(yīng)力達(dá)到35%，2號(hào)岔管消除殘余應(yīng)力達(dá)到31.5%。

5.6 再次無(wú)損檢測(cè)

在振動(dòng)時(shí)效處理后再次對(duì)岔管焊縫進(jìn)行了超聲波無(wú)損探傷以及月牙肋組合縫表面探傷，并與焊后探傷成果進(jìn)行對(duì)比分析，未發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)生。

5.7 第三方檢測(cè)

在承包人自檢合格基礎(chǔ)上，由業(yè)主委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心再次對(duì)岔管的制作縱縫、安裝環(huán)縫和月牙肋焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)(其中檢測(cè)岔管制作縱縫53條，現(xiàn)場(chǎng)岔管安裝環(huán)縫26條、現(xiàn)場(chǎng)岔管月牙肋焊縫4條)。經(jīng)超聲波、TOFD和磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)1號(hào)岔管安裝環(huán)縫4處、月牙肋焊縫1處條狀超標(biāo)缺欠，2號(hào)岔管安裝環(huán)縫2處、月牙肋焊縫1處條狀超標(biāo)缺欠。所有超標(biāo)缺欠經(jīng)返修后復(fù)檢合格。

6 結(jié) 語(yǔ)

2011年10月，毛爾蓋水電站建成發(fā)電，安全運(yùn)行至今，說(shuō)明取消水壓試驗(yàn)，通過(guò)采用材料復(fù)驗(yàn)、焊接工藝評(píng)定、無(wú)損檢測(cè)、振動(dòng)時(shí)效處理、第三方檢測(cè)等工程措施保障月牙肋鋼岔管制作質(zhì)量是可行的。