Q460C內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管模型試驗(yàn)與分析

朱晨，劉鳳維，張文科

(1.華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450046； 2.中國(guó)水利水電第十四工程局有限公司，昆明 650000；3.華能瀾滄江水電股份有限公司，昆明 650012)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)水電站壓力鋼管用鋼主要采用3個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的鋼，即500 MPa級(jí)、600 MPa級(jí)和800 MPa級(jí)，強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度)是壓力鋼管用鋼的主要質(zhì)量特征[1]，良好的延伸率是水電工程用高強(qiáng)鋼非常關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)[2-3]。Q460C鋼材是低合金結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度接近600 MPa高強(qiáng)鋼，具有優(yōu)越的力學(xué)性能和焊接性能，焊接時(shí)無(wú)需預(yù)熱，對(duì)于野外以及洞內(nèi)作業(yè)的水利水電工程具有重大意義。模型試驗(yàn)是工程中驗(yàn)證產(chǎn)品新材料選材、設(shè)計(jì)、制作等質(zhì)量的重要手段，原型岔管一般通過(guò)水壓試驗(yàn)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，模型岔管一般通過(guò)爆破試驗(yàn)驗(yàn)證質(zhì)量[4]。在國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼的推廣應(yīng)用過(guò)程中，進(jìn)行過(guò)600 MPa級(jí)、800 MPa級(jí)和1 000 MPa級(jí)岔管的模型試驗(yàn)，但Q460C鋼材岔管的模型試驗(yàn)尚未開展過(guò)。本文以某水電站鋼岔管設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，進(jìn)行Q460C鋼岔管模型試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)鋼岔管模型的應(yīng)力、位移、變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和工藝的可行性。通過(guò)對(duì)鋼岔管模型進(jìn)行爆破試驗(yàn)，獲得結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極限，掌握鋼岔管模型的安全儲(chǔ)備情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和成果可為水利水電工程結(jié)構(gòu)用鋼范圍的拓展提供有利支撐。

1 模型岔管參數(shù)

模型岔管材質(zhì)為Q460C鋼，為對(duì)稱Y形內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管，分岔角為75°，主管直徑為1 588.0 mm，支管直徑為1 124.0 mm，最大公切球直徑為1 922.8 mm；岔管管殼厚24 mm，肋板厚48 mm，肋寬比為0.35；設(shè)計(jì)壓力為6.24 MPa，試驗(yàn)壓力為7.80 MPa，是設(shè)計(jì)壓力的1.25倍。模型岔管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 測(cè)試系統(tǒng)

此次應(yīng)力測(cè)試采用應(yīng)變電測(cè)法，應(yīng)變計(jì)選擇BE120-4AA(11)型單向電阻應(yīng)變計(jì)、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)[5]。應(yīng)變儀采用DH3816N型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，量程為±30 000 με，精度不大于測(cè)量值的0.5%±3 με，零點(diǎn)漂移<3 με/4 h，采樣頻率為2 Hz。位移測(cè)試采用5G103型直線位移傳感器和DH3819型無(wú)線信號(hào)采集系統(tǒng)。變形測(cè)試時(shí)采用5 000 mL量杯進(jìn)行注水量的測(cè)量。

3 測(cè)點(diǎn)布置

考慮內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管的受力特征，岔管應(yīng)力測(cè)試的重點(diǎn)部位為鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處，管殼測(cè)點(diǎn)在內(nèi)、外壁對(duì)應(yīng)布置，以考察薄膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力[6]。在應(yīng)力變化平緩的部位測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)較少，應(yīng)力變化梯度較大的部位測(cè)點(diǎn)布置相對(duì)較多[7]。此次岔管水壓試驗(yàn)共布置82個(gè)測(cè)點(diǎn)，岔管內(nèi)、外部對(duì)稱各布置41個(gè)測(cè)點(diǎn)：月牙肋板布置7個(gè)單向應(yīng)變計(jì)；腰線(a—e)布置9個(gè)雙向應(yīng)變片；腰線(f—h)布置3個(gè)雙向應(yīng)變計(jì)； 肋旁管殼(h—o)布置5個(gè)雙向應(yīng)變計(jì)；主岔環(huán)焊縫(b—j)布置4個(gè)三向應(yīng)變花；主岔環(huán)焊縫(c—o)布置6個(gè)三向應(yīng)變花；支岔環(huán)焊縫(d—g)布置7個(gè)三向應(yīng)變片。位移傳感器布置于岔管外側(cè)，分別位于主管的腰部及月牙肋的頂部、底部和腰部[8]。

4 測(cè)試過(guò)程

水壓試驗(yàn)時(shí)，岔管進(jìn)水口及出水口均與悶頭對(duì)接，形成密閉容器。整個(gè)岔管水平臥放于3個(gè)鞍形支架上，岔管底部離地300 mm。鞍形支架用聚四氟乙烯板墊在鋼板平臺(tái)上，以保證水壓試驗(yàn)時(shí)岔管能自由位移[9]，岔管水壓試驗(yàn)狀態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。儀器調(diào)試完畢，進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)，按照水壓試驗(yàn)壓力循環(huán)要求進(jìn)行各壓力等級(jí)的加壓，具體壓力等級(jí)如圖3所示。水壓試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行爆破試驗(yàn)，持續(xù)向模型岔管注水加壓，直至發(fā)生破裂為止。

圖2 模型岔管試驗(yàn)狀態(tài)Fig.2 Bifurcated pipe model test status

圖3 水壓試驗(yàn)壓力循環(huán)Fig.3 Hydraulic pressure test pressure cycle

5 測(cè)試結(jié)果

水壓試驗(yàn)壓力達(dá)7.80 MPa時(shí)，應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)中，岔管腰線(a—e,f—h)最大應(yīng)力為482.01 MPa，月牙肋板(g—o)最大應(yīng)力為257.09 MPa，主岔管殼(c—o)最大應(yīng)力為390.71 MPa，主岔管殼(b—j)最大應(yīng)力為376.85 MPa，支岔管殼(d—g)最大應(yīng)力為364.22 MPa，肋旁管殼(h—o)最大應(yīng)力為603.86 MPa。部分應(yīng)力控制點(diǎn)數(shù)據(jù)見表1。水壓試驗(yàn)壓力達(dá)7.80 MPa時(shí)，位移測(cè)試數(shù)據(jù)中，a點(diǎn)位移量為-6.219 mm，b點(diǎn)位移量為-5.642 mm，c點(diǎn)位移量為-3.977 mm，h點(diǎn)位移量為-1.895 mm，月牙肋頂部位移量為3.114 mm，月牙肋底部位移量為4.386 mm(正值表示岔管壓縮，負(fù)值表示岔管膨脹)。模型岔管體積變形的注水量與壓力數(shù)據(jù)見表2，當(dāng)試驗(yàn)壓力達(dá)18.60 MPa時(shí)，在主管的右側(cè)部位迅速開裂，模型岔管爆破。

表1 應(yīng)力控制點(diǎn)數(shù)據(jù)Tab.1 Stress control point data MPa

注：σx為軸向應(yīng)力，σy為周向應(yīng)力。

表2 注水量與試驗(yàn)壓力數(shù)據(jù)Tab.2 Water injection volume and test pressure data

6 測(cè)試結(jié)果分析

(1)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)壓力等級(jí)(6.24 MPa)下模型岔管各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值均低于材料的標(biāo)準(zhǔn)屈服值下限(440.0 MPa)，模型岔管各測(cè)點(diǎn)處于彈性變形狀態(tài)[10]。

(2)模型岔管主管管徑大于支管管徑，其應(yīng)力總體高于支管部分。模型岔管主管各管節(jié)的主要應(yīng)力區(qū)位于鈍角區(qū)腰線a，b，c點(diǎn)，這些點(diǎn)的應(yīng)力顯著高于管殼腰線上其他控制點(diǎn)。

(3)試驗(yàn)過(guò)程中，鈍角區(qū)腰線a，b點(diǎn)和月牙肋旁管殼腰線h點(diǎn)應(yīng)力值相對(duì)較大，需重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)應(yīng)力控制點(diǎn)a，b，h數(shù)據(jù)進(jìn)行線性分析，各測(cè)點(diǎn)線性擬合結(jié)果良好，具體擬合結(jié)果如圖4 — 6所示。

圖4 a點(diǎn)周向應(yīng)力Fig.4 Circumferential stress on point a

圖5 b點(diǎn)周向應(yīng)力Fig.5 Circumferential stress on point b

圖6 h點(diǎn)周向應(yīng)力Fig.6 Circumferential stress on point h

(4)位移數(shù)據(jù)表明，水壓試驗(yàn)過(guò)程中，月牙肋頂部和底部區(qū)域向管壁內(nèi)部收縮，其余腰線部位向管壁外側(cè)膨脹，這與內(nèi)加強(qiáng)月牙肋岔管的結(jié)構(gòu)特性一致。

(5)體積變形數(shù)據(jù)表明，模型岔管試驗(yàn)壓力在13 MPa以下時(shí)，注水量與試驗(yàn)壓力為線性關(guān)系，超過(guò)13 MPa后，非線性變化趨勢(shì)明顯，如圖7所示。

圖7 注水量與試驗(yàn)壓力關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between water injection volume and test pressure

(6)模型岔管焊縫經(jīng)100%超聲波探傷(UT)檢測(cè)合格，焊縫系數(shù)ψ可取1，模型岔管最大公切球直徑d0為1 922.8 mm，管節(jié)壁厚t0為24.00 mm，按公式K=ψ+2t0/d0計(jì)算，應(yīng)力集中系數(shù)K=1.024 964。抗拉強(qiáng)度按550～673 MPa取值，得到可能的爆破壓力范圍為15.28～18.70 MPa，而模型岔管試驗(yàn)爆破壓力值為18.60 MPa，接近估算范圍的上限，材料的整體性能得到了充分利用。

(7)模型岔管斷口長(zhǎng)1 530 mm、寬850 mm，最大開口470 mm，斷口最小厚度為19.2 mm。斷口形貌如圖8所示。模型岔管斷口向3個(gè)方向延展，表明材料的各向同性較好。

圖8 模型岔管斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of the bifurcated pipe model

(8)模型岔管設(shè)計(jì)壓力為6.24 MPa，實(shí)際爆破壓力為18.60 MPa，安全系數(shù)為3.0，滿足NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)要求[11]。

7 結(jié)論

(1)測(cè)試參數(shù)(應(yīng)力、位移、變形)與試驗(yàn)壓力成良好的線性關(guān)系，說(shuō)明在試驗(yàn)壓力下模型岔管處于彈性變形狀態(tài)，同樣說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)的非線性誤差得到了較好的控制。

(2)通過(guò)試驗(yàn)，Q460C鋼材的整體性能得到了全面的檢驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證了模型岔管設(shè)計(jì)的合理性及制作工藝的可靠性。

(3)模型岔管的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。