鋼岔管水壓試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試與分析

鄧小君

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450046）

鋼岔管水壓試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試與分析

鄧小君

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450046）

通過對(duì)供水泵站的卜形鋼岔管進(jìn)行不同壓力等級(jí)水壓試驗(yàn)的應(yīng)力測(cè)試及分析，以確定岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性和制造質(zhì)量（尤其焊接質(zhì)量）的可靠性。明確了U形梁腰部及悶頭所受應(yīng)力較大，在水壓試驗(yàn)及供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意監(jiān)測(cè)；同時(shí)悶頭蓋板與過渡管環(huán)縫內(nèi)側(cè)所受拉力值也較大，應(yīng)特別注意該焊縫的焊接質(zhì)量控制，以確保供水工程系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

卜形鋼岔管；水壓試驗(yàn)；應(yīng)力測(cè)試

1 概述

某應(yīng)急供水工程的供水泵站共8個(gè)鋼岔管，岔管形式為“卜”形（見圖1）。岔管的主管與錐管及三個(gè)梁的材質(zhì)均為16MnR，支管材質(zhì)為20R；主管及錐管的管壁厚度為32 mm，三個(gè)梁的厚度均為60 mm，支管厚度為24 mm。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼岔管出廠交付使用時(shí)應(yīng)按相關(guān)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)。

由于岔管的板厚大、結(jié)構(gòu)剛性拘束大，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。為了檢驗(yàn)岔管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理性和制造質(zhì)量可靠性，并確定通過水壓試驗(yàn)部分消除鋼岔管焊接殘余應(yīng)力的實(shí)際情況，在岔管水壓試驗(yàn)過程中，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力測(cè)試及分析。

2 試驗(yàn)條件

2.1 鋼岔管試驗(yàn)狀態(tài)

采用單個(gè)岔管水壓試驗(yàn)方式。試驗(yàn)時(shí)，岔管的進(jìn)水口、出水口均用加筋板的平板悶頭密封，形成密閉容器。整個(gè)岔管水平臥放于三個(gè)鞍形支架上。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境條件

（1）環(huán)境溫度及試驗(yàn)水溫。

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范要求，環(huán)境溫度不低于10℃時(shí)、水溫不低于5℃。試驗(yàn)中實(shí)測(cè)環(huán)境溫度大于25℃、水溫大于20℃，符合有關(guān)規(guī)定。

（2）水壓試驗(yàn)壓力循環(huán)。

根據(jù)岔管的試驗(yàn)方案確定水壓試驗(yàn)的壓力循環(huán)如圖2所示。

2.3 加壓系統(tǒng)

整個(gè)水壓試驗(yàn)加壓系統(tǒng)由排氣系統(tǒng)、充水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)以及增壓系統(tǒng)等組成。其中增壓系統(tǒng)由1臺(tái)手提式電動(dòng)試壓泵（最大工作壓力6.3 MPa，流量360 L/h）、各種閥門、壓力表及管路組成。在增壓系統(tǒng)管路及岔管頂部安裝有兩個(gè)精度等級(jí)為1.6的壓力表。

圖1 岔管示意

圖2 水壓試驗(yàn)壓力循環(huán)

3 試驗(yàn)測(cè)試過程

3.1 應(yīng)力測(cè)試設(shè)備

（1）采用CM-2B型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)。量程±19 999 με，精度為測(cè)量值的0.3％±3 με，零點(diǎn)漂移小于3 με/h，溫漂小于1 με/℃，全系統(tǒng)掃描一次2 s。

（2）不同測(cè)試部位的應(yīng)力測(cè)試分別采用BE120-4BB型雙向電阻應(yīng)變計(jì)和BE120-2CA型三向電阻應(yīng)變計(jì)。其中BE120-4BB型雙向電阻應(yīng)變計(jì)阻值為119.7 Ω，靈敏系數(shù)為2.16；BE120-2CA型三向電阻應(yīng)變計(jì)阻值為120.3 Ω，靈敏系數(shù)為2.19。

3.2 測(cè)點(diǎn)分布

（1）布點(diǎn)原則。

根據(jù)試驗(yàn)方案要求，考慮“卜”形岔管的受力特征，岔管應(yīng)力測(cè)試的重點(diǎn)部位為三個(gè)梁的腰部、岔管腰線上的典型部位、平板悶頭加強(qiáng)筋板所圍成的小格中心位置。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在上述受力相對(duì)較大的部位，確保水壓試驗(yàn)安全。所有測(cè)點(diǎn)均布置在岔管外壁。

（2）實(shí)際布點(diǎn)情況。

布點(diǎn)位置如圖3所示。其中，測(cè)點(diǎn)4、7、25布置三向應(yīng)變片，其余測(cè)點(diǎn)布置雙向應(yīng)變片；測(cè)點(diǎn)21位于沿腰線對(duì)稱的另一側(cè)（即腰線下弧長(zhǎng)450 mm處）；除了測(cè)點(diǎn)21雙向片x方向?yàn)榄h(huán)焊縫方向外，其余應(yīng)變片的x方向均為水平方向。

3.3 應(yīng)力測(cè)試

（1）先將應(yīng)變片與CM-2B型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，并調(diào)試完畢。

（2）分別進(jìn)行0.4 MPa、0.8 MPa和1.1 MPa三個(gè)壓力等級(jí)的水壓試驗(yàn)，并記錄對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。

（3）測(cè)試完畢后，計(jì)算各個(gè)壓力等級(jí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。

4 應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)應(yīng)變片布置情況，測(cè)點(diǎn)4、7、25布置的是三向應(yīng)變片，儀器顯示的數(shù)據(jù)為最大主應(yīng)力值、最小主應(yīng)力值和最大主應(yīng)力方向。其余測(cè)點(diǎn)布置雙向應(yīng)變片，儀器顯示的數(shù)據(jù)為x方向和y方向的應(yīng)力值。應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5 數(shù)據(jù)分析

（1）為了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)（包括應(yīng)變片處理、儀器等）可靠性，特選取測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)12的y向應(yīng)力值進(jìn)行線性分析，分析軟件采用最小二乘法進(jìn)行線性嚙合（見圖4和圖5）。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

數(shù)據(jù)分析表明，測(cè)點(diǎn)1的y向應(yīng)力值與試驗(yàn)水壓呈良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，線性度R=0.999 8；測(cè)點(diǎn)12的y向應(yīng)力值與試驗(yàn)水壓呈良好的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，線性度R=0.999 0。這說(shuō)明不僅測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，而且水壓試驗(yàn)過程中岔管各測(cè)試部位均處于彈性變形狀態(tài)。

（2）測(cè)試數(shù)據(jù)表明：水壓1.1 MPa時(shí)，正腰梁腰部應(yīng)力為41 MPa；斜腰梁腰部應(yīng)力為101 MPa；U形梁腰部應(yīng)力為189 MPa。該形式岔管的三個(gè)梁可以選擇不同的板厚。相對(duì)于岔管管殼的應(yīng)力水平而言，正腰梁的厚度可以減少，甚至可以取消正腰梁，斜腰梁的板厚比較合適，而U形梁的板厚可以適當(dāng)增加。

（3）水壓1.1 MPa時(shí)，岔管管殼上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力水平都不高，在100 MPa以下，說(shuō)明岔管本體有作足夠的安全儲(chǔ)備。

（4）梁旁管殼測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力方向大致與該點(diǎn)的切線方向一致，相當(dāng)于雙向片的y方向，最大主應(yīng)力略大于梁上相鄰測(cè)點(diǎn)的y向應(yīng)力。盡管U形梁腰部相臨的管殼沒有布置測(cè)點(diǎn)（受岔管體型限制），但可以根據(jù)U形梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值推測(cè)，該部位受力也比較大。但是相對(duì)于材料的許用應(yīng)力值而言，尚有一定的裕量。

（5）悶頭上應(yīng)力值都比較大，最大達(dá)到189 MPa，說(shuō)明初次對(duì)某一類型的岔管進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，對(duì)平板悶頭進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控是必要的。試驗(yàn)表明，本次試驗(yàn)采用的悶頭滿足要求。

（6）悶頭蓋板與過渡管節(jié)之間的環(huán)縫，管內(nèi)受拉，管外受壓。測(cè)點(diǎn)21在水壓1.1 MPa時(shí)，水平方向岔管軸向受壓，壓應(yīng)力達(dá)到126 MPa；盡管管內(nèi)未布置應(yīng)變片，但可以推測(cè)該焊縫管內(nèi)側(cè)所受的拉力值不低，因此，應(yīng)特別注意該焊縫的焊接質(zhì)量。

圖4 測(cè)點(diǎn)1的y向應(yīng)力與試驗(yàn)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖5 測(cè)點(diǎn)12的y向應(yīng)力與試驗(yàn)壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

6 結(jié)論

試驗(yàn)過程中未發(fā)生岔管滲漏和焊縫開裂現(xiàn)象，說(shuō)明鋼岔管的制造質(zhì)量良好，滿足使用要求。U形梁腰部及悶頭所受應(yīng)力較大，在水壓試驗(yàn)及供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)應(yīng)注意監(jiān)測(cè)；同時(shí)悶頭蓋板與過渡管環(huán)縫內(nèi)側(cè)所受拉力值也較大，應(yīng)特別注意該焊縫的焊接質(zhì)量控制。

Test and analysis of steel bifurcation pipe hydraulic

DENG Xiaojun
（He'nan Institute of Vocational&Technology，Zhengzhou 450046，China）

T：hrough to the water supply pump station bligh shape steel bifurcation pipe hydrostatic test of different pressure levels stress test and analysis,to determine the rationality of the bifurcation pipe structure design scheme and the reliability of the manufacturing quality（Especially the welding quality）.Clear the u-shaped beam waist and the hard by stress is larger,the water pressure test and that should be noticed in running in the water system monitoring;at the same time the hard cover plate and the transition pipe girth inside the pull force value is bigger also,should pay special attention to the welding seam welding quality control, to ensure the safe operation of water supply engineering system.

ABU shape steel bifurcation pipe；hydrostatic test；the stress test

TG404

B

1001-2303（2015）08-0214-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.08.47

2015-01-12；

2015-03-06

鄧小君（1964—），女，河南人，副教授，主要從事焊接專業(yè)的教學(xué)與科研工作。