甲米河一級水電站岔管水壓試驗淺析

何西平，張 籍

(1.四川鹽源甲米河水電開發(fā)有限公司，四川鹽源，615700;2.中國水利水電第九工程局有限公司，貴陽，550081)

1 概述

甲米河一級水電站位于四川省鹽源縣境內(nèi)，電站裝設(shè)三臺單機容量為12MW的混流式水輪發(fā)電機組，水頭范圍為88.2m～103.5m。電站引水隧洞調(diào)壓井以下為鋼襯壓力管道，一管三機。主管總長209.7m，內(nèi)徑為3.8m，管壁14mm～22mm，末端接兩個岔管。岔管均為卜型月牙肋岔，分岔角 53°，1#岔管主錐直徑為 3.8m，2#岔管主錐直徑為3.11m，支管直徑2.0m，岔管最大壁厚為34mm，月牙肋最大厚度為80mm，板材全部為Q345C板(σb=470MPa～630MPa)。岔管按明管要求設(shè)計，設(shè)計強度為1.52MPa，岔、支管均外包鋼筋混凝土。

本電站額定水頭不高，壓力鋼管直徑較小，類似電站一般均取消了岔管水壓試驗，但幾年前某電站岔管在發(fā)電運行一年后出現(xiàn)了安全質(zhì)量隱患事故。為此，本電站要求通過岔管水壓試驗，對壓力鋼管岔管的設(shè)計合理性、制造安裝質(zhì)量、岔管焊接接頭性能的可靠性進行檢驗;通過岔管水壓試驗，在緩慢加載條件下，缺陷尖端發(fā)生塑性變形，進而使其鈍化，以削平岔管殘余應(yīng)力的峰值，部分消除焊接應(yīng)力，確保安全運行。

因此，電站業(yè)主要求施工單位按照設(shè)計圖紙說明進行了岔管水壓試驗。

2 岔管水壓試驗組織

2.1 編制岔管水壓試驗方案

針對甲米河一級水電站實際情況，為了節(jié)省施工工期，對電站1#和2#岔管實行整體一次性水壓試驗。由安裝施工單位負(fù)責(zé)編制岔管水壓試驗方案，報監(jiān)理部和設(shè)代組審核業(yè)主認(rèn)可后實施。

2.1.1 岔管水壓試驗程序

岔管試驗程序為:悶頭制作→悶頭安裝→測儀表布置→充、排水系統(tǒng)安裝→充水加壓→保壓→卸壓排水→悶頭拆除。

2.1.2 悶頭設(shè)計制作

根據(jù)本電站的岔管最大管徑φ3.8m和最高水壓試驗值1.9MPa(根據(jù)設(shè)計和《水利水電工程壓力鋼管制造安裝驗收規(guī)范》DL/T5017—2007要求，最高壓力試驗值為設(shè)計值的1.25倍，岔管設(shè)計強度為1.52MPa)，決定采用橢圓球形悶頭對岔管進行封堵，共需要一個φ3.8m悶頭和三個φ2m悶頭。根據(jù)計算，φ3.8m管徑采用壁厚為24mm的橢圓形悶頭，管徑采用壁厚為14mm的橢圓形悶頭。

悶頭制作由施工單位負(fù)責(zé)，聯(lián)系外協(xié)專業(yè)廠家(成都封頭廠)生產(chǎn)，采用熱沖壓方式一次制作成形后運至工地進行安裝。

2.1.3 監(jiān)測儀表布置

根據(jù)水壓試驗?zāi)康募安砉艿膶嶋H尺寸，采用8塊百分表對岔管的不同方位進行變形觀測，并最終采集岔管試驗前后的變形情況，分析岔管在試驗壓力作用下的受力情況。百分表具體布設(shè)位置見圖1所示。

圖1 岔管變形監(jiān)測布置

2.2 岔管安裝質(zhì)量綜合驗收

由試驗領(lǐng)導(dǎo)小組對岔管制作和安裝過程質(zhì)量驗收情況進行一次綜合性檢查，檢查內(nèi)容主要有:(1)鋼材、焊條、防腐涂料廠家的產(chǎn)品質(zhì)量報告;(2)根據(jù)合同要求所做的鋼材抽樣檢驗報告;(3)岔管制作安裝工藝方案及監(jiān)理批復(fù)文件;(4)焊接、探傷人員資質(zhì)證書;(5)焊接工藝評定;(6)焊縫無損探傷報告;(7)岔管制作安裝各工序質(zhì)量驗收表;(8)岔管制造安裝各單元工程質(zhì)量評定表。

2.3 岔管混凝土支墩澆筑

在岔管所有的焊縫無損探傷檢驗合格以及綜合驗收結(jié)束后，為穩(wěn)妥可靠，在兩個岔管底部澆注兩個2m×3m的混凝土支墩，用以承受壓力鋼管和試壓加水的載荷。

2.4 悶頭安裝及強度驗算

2.4.1 悶頭安裝

悶頭在安裝前應(yīng)清理岔管內(nèi)所有雜物，割除鋼管內(nèi)壁附著物，并用磨光機打磨干凈。φ3.8m悶頭安裝在壓力鋼管波紋管與岔管間的湊合節(jié)位置處，3個φ2m悶頭均安裝在三臺機組支管處(如圖2所示)，支管已安裝焊接并加固牢靠。

圖2 岔管悶頭布置

2.4.2 悶頭焊縫強度驗算

φ3.8m悶頭安裝焊縫結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，可按正面角焊縫受力公式δf=N/helw＜fw進行驗算;φ2m悶頭和支管采用對接焊接方式，故用對接焊縫強度公式δ=N/lwt＜fw進行焊縫強度驗算。經(jīng)驗算兩種悶頭焊縫強度均滿足試壓要求。

圖3 φ3.8m悶頭焊縫結(jié)構(gòu)形式

2.5 充、排水系統(tǒng)及試壓泵布置

充排水系統(tǒng)主要由充水管、排氣管、排水管、加壓管、閥門、充水泵、試壓泵組成，布置方式如圖4所示。在岔管頂部設(shè)排氣管，最低端設(shè)排水管。

圖4 充、排水系統(tǒng)布置

3 水壓試驗

3.1 試驗前的檢查

(1)全面檢查并清理岔管周圍雜物，整個試驗區(qū)域已用警戒帶封閉，并掛警示牌，無關(guān)人員不得入內(nèi);

(2)檢查充水泵及試壓泵電源及運行情況;

(3)檢查百分表布置是否正確，指針處于零位，每只表頭的預(yù)壓值均取4mm;

(4)檢查應(yīng)急排水設(shè)備已備好。

3.2 充水

水壓試驗水源就近選用開挖地下水，此水量大，水質(zhì)清澈，滿足試驗要求。由于水壓試驗總靜水頭不大，無須考慮充水過程中靜水壓的影響，可直接用水泵一次性將兩岔管及支管充滿。充水前關(guān)閉排水閥，打開排氣閥、充水閥，啟動水泵向岔管充水。岔管總?cè)莘e約250m3，充水時間長約8h。在充水過程中派人值守，監(jiān)視充水過程，嚴(yán)密監(jiān)視岔管支墩及支管底部支撐有無異常情況。

2#岔管排氣管有水溢出時關(guān)閉排氣閥，直至1#岔管排氣管有水溢出時關(guān)停充水泵和關(guān)閉充水閥，充水完成。

3.3 加壓

3.3.1 為避免鋼管內(nèi)壓快速上升而造成悶頭和鋼管的失穩(wěn)破壞，加壓過程分四個階段，即設(shè)計壓力的 50%(0.76MPa)、75%(1.14MPa)、100%(1.52MPa)和125%(1.9MPa)下緩慢進行，這樣亦有利于壓力鋼管殘余應(yīng)力釋放及應(yīng)力平衡。

3.3.2 啟動試壓泵，向岔管內(nèi)加壓，加壓速度控制在0.05MPa/min。當(dāng)壓力加至每分段值時停泵，穩(wěn)壓10min，檢查焊縫及試壓系統(tǒng)連接處是否有泄漏降壓現(xiàn)象，觀察試驗各部位的變化，并記錄百分表讀數(shù)。

3.3.3 確認(rèn)無異常情況后，再依次逐級加壓至設(shè)計壓力(1.52MPa)，穩(wěn)壓30min，再次檢查焊縫及試壓系統(tǒng)連接處是否有泄漏降壓現(xiàn)象，觀察試驗各部位的變化，并記錄百分表讀數(shù)。若發(fā)現(xiàn)異常情況須立即關(guān)停試壓泵，并匯報領(lǐng)導(dǎo)小組組長，以確保下一步試驗工作正常有序進行。

3.3.4 最終試驗值嚴(yán)格按照1.25倍設(shè)計值(1.9MPa)進行，在接近最終試驗值時應(yīng)采用點動回壓法，以避免岔管在進行水壓試驗時，管體的平均應(yīng)力超過材料的屈服極限，從而造成管體顯著的塑性變形發(fā)生管體破裂事故。

3.4 保壓

為檢測岔管在承壓狀態(tài)下的穩(wěn)定性，必須在設(shè)計壓力和最大試驗壓力下保壓30min，在保壓過程中觀察整個岔管和支撐應(yīng)無異常情況，做好環(huán)、縱向應(yīng)力觀測記錄，百分表指針應(yīng)穩(wěn)定無擺動。保壓完成后壓力表讀數(shù)應(yīng)無壓降，焊縫無滲水現(xiàn)象。

3.5 卸壓

打開放水閥，緩慢降壓至設(shè)計強度壓力1.52MPa，穩(wěn)壓15min，觀測并記錄，無異常后，再用1kg小榔頭在焊縫兩側(cè)2cm內(nèi)輕輕敲擊，未見異常后，再打開放水閥將壓力緩慢降至靜水壓力。打開排氣閥和排水閥，同時啟動場外排水泵排水，將岔管內(nèi)存水排空。若無異常，水壓試驗結(jié)束。

3.6 試驗成果

岔管水壓試驗完成后，安裝單位對1#、2#岔管整體水壓試驗變形觀測測得的數(shù)據(jù)進行整理，記錄如表1所示。評價試驗岔管的安全性能及施工質(zhì)量，編寫水壓試驗成果分析報告上報監(jiān)理和業(yè)主。

表1 岔管水壓試驗變形觀測記錄 單位:mm

在整個試驗過程中，壓力上升平穩(wěn)，鋼管變形隨壓力值成線性增加，鋼管及岔管中心無明顯位移，壓力增至最高試驗壓力后保壓30min無明顯壓降，焊縫無裂紋，無滲漏現(xiàn)象發(fā)生。卸壓后鋼管變形基本恢復(fù)至初始值，證明壓力試驗過程都處于材料的彈性變形范圍內(nèi)，基本無永久變形。

4 結(jié)語

甲米河一級水電站發(fā)電運行期間如發(fā)生三臺機組同時甩滿負(fù)荷時，機組蝸殼及壓力鋼管下平段岔管處的壓力上升最大理論計算值為1.35MPa。1#、2#岔管整體以1.9MPa超載內(nèi)壓試驗順利通過，檢驗了岔管結(jié)構(gòu)整體安全度，為壓力鋼管的長期安全運行提供了可靠保證。