呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管水壓試驗測試與研究

余 健，劉 蕊

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

1 工程概況

呼和浩特抽水蓄能電站（簡稱呼蓄電站）位于內蒙古自治區(qū)呼和浩特市東北部的大青山區(qū)，工程由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房及下水庫等建筑物組成，安裝4臺單機容量為300MW的混流可逆式水泵 水輪機組，總裝機容量為1200MW。呼蓄電站引水系統(tǒng)采用一管兩機的布置方式，鋼岔管采用對稱“Y”形內加強月牙肋結構，分岔角70°，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，主錐長1.93m，支錐長3.91m，鋼岔管前后設計流速依次為7.97m/s、8.23m/s，采用790MPa級B780CF高強鋼制造，主、支岔壁厚70mm，肋板厚140mm，設計水頭906m，HD值達到4186m2，是我國已建水電工程HD值最大、國產鋼材強度級別最高的鋼岔管[1]。

2 焊接殘余應力測試

為確保呼蓄電站鋼岔管水壓試驗的安全及后續(xù)應力測試提供參考，對鋼岔管進行焊接殘余應力的測試工作，測試分別在水壓試驗前和水壓試驗后進行，根據水壓試驗前后測試結果，反映水壓試驗對殘余應力的消除程度（見圖1）。

2.1 測區(qū)布置及表面處理

根據呼蓄電站鋼岔管焊縫的分布組成，選取關鍵、有代表性的部位作為檢測區(qū)域，每個測區(qū)按要求進行表面處理，所有被測部位進行打磨和拋光處理，不得有涂層、飛濺及污物，焊縫、熔合線及熱影響區(qū)必須清晰可見[2]。每個測區(qū)（ZH表示左側環(huán)縫，YH表示右側環(huán)縫，ZZ表示左側縱縫，YZ表示右側縱縫，ZT表示左側T字接頭）分別包含焊縫中心、熔合線、熱影響區(qū)的測點，采用X-350A型X射線應力測定儀進行鋼岔管焊接殘余應力的測試工作。

2.2 測點坐標規(guī)定

測點方位坐標規(guī)定：以各測點連線與鋼岔管軸線平行的方向定為軸向；與鋼岔管軸線垂直的方向定為環(huán)向，測量值為正值的是拉應力，測量值為負值的是壓應力（圖2中焊縫熱影響區(qū)表示為HAZ）。

2.3 焊接殘余應力對比測試結果及評價

鋼岔管水壓試驗前各測區(qū)的測點軸向焊接殘余應力平均值記為σ軸前，水壓試驗后各測區(qū)軸向焊接殘余應力平均值記為σ軸后；岔管水壓試驗前、后各測區(qū)各測點環(huán)向焊接殘余應力平均值記為σ環(huán)前、σ環(huán)后。根據水壓試驗前后殘余應力測試數據進行計算可得：σ軸前1=212MPa，σ軸后1=118MPa；σ環(huán)前1=397MPa，σ環(huán)后1=260MPa；σ軸前2=247MPa，σ軸后2=166MPa；σ環(huán)前2=277MPa，σ環(huán)后2=212MPa。據此可計算得1號鋼岔管水壓試驗殘余應力消除率：P軸1=44.34%，P環(huán)1=34.51%；1號鋼岔管總平均值殘余應力消除率P1=39.43%。2號鋼岔管水壓試驗殘余應力消除率：P軸2=32.79%，P環(huán)2=23.47%。2號鋼岔管總平均值殘余應力消除率P2=28.13%。采用X-350A型X射線應力測定儀進行焊接殘余應力測試，具有對鋼岔管焊縫同一測點進行水壓試驗前后再現觀測的優(yōu)點，通過同一測點水壓試驗前后殘余應力值的變化，更加充分驗證水壓試驗對焊接殘余應力的峰值起到有效的消減作用，為鋼岔管的后期長久安全運行提供了有力保障。

3 水壓試驗應力測試

3.1 水壓試驗準備階段

由于鋼岔管內壁工作應力測試需在有水狀態(tài)下進行，需準備防水應變片，并設計制作專用的應變片導線過管壁裝置。應力測試控制點的測試應力分解為環(huán)向和水流方向兩個應力分量，肋板處應力測試控制點的測試應力分解為環(huán)向、水流方向和45°方向。本次鋼岔管水壓試驗應力測試采用電測法，測試儀器采用DH3815N型應變測試系統(tǒng)和DH3819型無線應變測試系統(tǒng)，采用進口WFCA-6-11-5LT型應變片[3]。為保證測試結果的準確性，被測構件的原始狀態(tài)要能夠保證，即在鋼岔管不受水壓力的情況下完成應變片連接、儀器調試調零等準備工作，然后逐步讓鋼管承受水壓力，記錄鋼管不同部位在不同水壓力下所產生的應變，繪制各應變片在充水加載過程中的應力曲線圖。

圖1 鋼岔管殘余應力測區(qū)位置圖（a）1號岔管測區(qū)位置；（b）2號岔管測區(qū)位置Figure 1 Steel pipe residual stress location map

圖2 鋼岔管測區(qū)的測點布置示意圖（a）縱縫測點布置圖；（b）環(huán)縫測點布置圖；（c）T形接頭測點布置圖Figure 2 Schematic diagram of measuring point layout of steel pipe area

3.2 水壓試驗應力測試過程

根據鋼岔管三維有限元計算結果，在岔管頂部、腰線轉折角、肋板內緣、肋旁管壁、主支錐相貫線及其高應力區(qū)、岔管整體膜應力區(qū)等關鍵點位布置了監(jiān)測點，全面監(jiān)控了水壓試驗過程。水壓試驗分為預壓試驗和明管水壓試驗兩個階段，鋼岔管水壓試驗技術參數見表1。

表1 鋼岔管水壓試驗技術參數表Table 1 Steel pipe hydrazine pressure test technical parameters

鋼岔管水壓試驗應力測試流程：確定應變片粘貼位置→打磨應變片粘貼位置→粘貼應變片→連接設備測試開始→鋼管充水加壓試驗開始→應變信號采集→分析應變信號提供綜合測試結果→提供工作應力數據。若監(jiān)測的工作應力值接近鋼板試驗應力允許值，應立即停止充水加壓試驗，并進行現場分析研究，確定試驗是否繼續(xù)進行。

3.3 水壓試驗應力測試結果

1、2號鋼岔管水壓試驗應力測試結果見表2。

1號鋼岔管在加壓到9.06MPa時，其應力測試最大拉應力值發(fā)生在第Y2′-1′S測點上，測試值586.91MPa；2號鋼岔管加壓到9.06MPa時，其應力測試最大拉應力值發(fā)生在第Y2′-1S測點上，測試值603.53MPa。呼蓄電站鋼岔管水壓試驗時，首次在主支錐相貫線的高應力區(qū)和岔管整體膜應力區(qū)布置了監(jiān)測點，試驗證明此點為水壓試驗應力控制點，為鋼岔管應力分析和水壓試驗壓力的確定供了有力的數據支持；首次以鋼材的屈服強度作為主支錐相貫線的高應力區(qū)水壓試驗工況下的抗力限值，提高了水壓試驗壓力，最大限度地消除了焊接殘余應力，有利于岔管的結構安全，完善了規(guī)范水壓試驗工況在該區(qū)域抗力限值的制定標準，為后續(xù)岔管水壓試驗抗力限值的制定及水壓試驗壓力的確定積累了經驗。

表2 1、2號鋼岔管水壓試驗壓力測試結果統(tǒng)計表Table 2 1# and 2# steel pipe pressure test pressure test results statistics （MPa）

4 水壓試驗變形監(jiān)測

4.1 變形測試方案

呼蓄電站鋼岔管水壓試驗過程中采用V-STARS數字攝影測量系統(tǒng)進行變形監(jiān)測，此方法采用高精度的專業(yè)相機，通過在不同的位置和方向，對試驗鋼岔管進行拍攝，V-STARS軟件自動處理數據照片，通過數學計算及圖像匹配等處理，得到監(jiān)測點精準的三維坐標[4-5]。根據呼蓄電站鋼岔管的設計特點及結構要求，在鋼岔管的主管悶頭布設測點M1，支管悶頭部位分別布設M2和M3兩個測點；在岔管腰線部位各布設Y1、Y2、Y3、Y4和Y5五個測點；在岔管頂部布設測點D1，底部布設測點D2。

4.2 變形監(jiān)測成果

1號岔管悶頭部位、腰線、頂部及底部水壓試驗變形數據見表3，2號岔管悶頭部位、腰線、頂部及底部水壓試驗變形數據見表4。

表3 1號鋼岔管水壓試驗變形數據統(tǒng)計表Table 3 1# steel pipe hydraulic pressure test deformation statistics table （mm）

表4 2號鋼岔管水壓試驗變形數據統(tǒng)計表Table 4 2# steel pipe hydraulic pressure test deformation statistics table （mm）

采用V-STARS數字攝影測量系統(tǒng)對呼蓄電站鋼岔管水壓試驗進行全程變形監(jiān)測，具有全面、快速、非接觸性、可實時測量的優(yōu)勢，特別是在水壓試驗具有一定危險性的工作場合，具有極高的測量精度和極大的優(yōu)點[6]。

5 水壓試驗聲發(fā)射監(jiān)測

5.1 聲發(fā)射傳感器布置方案

為確保呼蓄電站鋼岔管水壓試驗安全進行，實施過程中增加了聲發(fā)射監(jiān)測技術，通過此技術，可監(jiān)控水壓試驗過程中鋼岔管管壁、焊縫等缺陷的擴展情況。呼蓄電站鋼岔管水壓試驗聲發(fā)射監(jiān)測采用全數字多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀（型號Vallen Amsy-6）[7-8]，在岔管月牙肋組合焊縫兩邊共布置13個傳感器，距離月牙肋組合焊縫200mm，每個傳感器間距約為773mm，對岔管的焊縫在水壓試驗全過程實施監(jiān)控。

5.2 聲發(fā)射監(jiān)測結果

（1）1號鋼岔管聲發(fā)射監(jiān)測結果。水壓從0～6MPa升壓過程和保壓時段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現有意義的聲發(fā)射源。水壓從6～6.3MPa升壓過程和保壓時段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，發(fā)現一處有意義的聲發(fā)射源。水壓從6.3～9.06MPa升壓過程和保壓時段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現有意義的聲發(fā)射源。

（2）2號鋼岔管聲發(fā)射監(jiān)測結果。水壓從0～9.06MPa各階段升壓過程和保壓時段：在監(jiān)控月牙肋組合焊縫和岔管基本錐焊縫的過程中，未發(fā)現有意義的聲發(fā)射源。

5.3 聲發(fā)射檢測結果評定

由水壓試驗時聲發(fā)射在不同檢測時段中采集的信號分析可知，1號鋼岔管在水壓為6.5MPa時發(fā)現一處有意義的聲發(fā)射，其他水壓試驗階段中，未發(fā)現有意義的聲發(fā)射源；2號鋼岔管在整個水壓試驗過程中，未發(fā)現異常的聲發(fā)射源。依據《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結果評價方法》（GB/T 18182—2012）“8.4 源的綜合等級劃分”中的規(guī)定，呼蓄電站鋼岔管監(jiān)測中采集到的聲發(fā)射源為非活性和弱強度，因此經評定綜合等級為A級。

實踐證明，聲發(fā)射監(jiān)控是水壓試驗可靠的保證手段，對鋼岔管水壓試驗的順利進行提供了有力的保障，同時，通過水壓試驗的聲發(fā)射監(jiān)測結果，驗證了呼蓄電站鋼岔管的設計、選材、制造及水壓試驗參數的選擇都是正確合理的，鋼岔管的制造質量滿足工程運行的要求。

6 結束語

（1）呼蓄電站是國內首次采用國產790MPa級B780CF高強鋼制造的高水頭、大體型鋼岔管。鋼岔管焊縫質量主要通過無損檢測和力學性能兩方面共同評定，焊縫的無損檢測可以通過MT、UT、RT、TOFD等手段來實現，但力學性能的檢測相對隱蔽，且無法重復和再現檢測，因此呼蓄電站鋼岔管通過焊接殘余應力對比試驗、水壓試驗應力測試、水壓試驗變形監(jiān)測及聲發(fā)射監(jiān)測等試驗，驗證了鋼岔管焊縫接頭承受極端荷載的能力，也印證了呼蓄電站鋼岔管的設計、選材、制造及水壓試驗的參數選擇是正確合理的，鋼岔管整體質量滿足呼蓄電站運行要求。同時，呼蓄電站鋼岔管水壓試驗的成功，也為國內未來高水頭、大HD值高壓鋼岔管的水壓試驗提供了工程實例和技術經驗。

（2）使用X射線衍射法測試殘余應力具有無損的特點，特別適合高強鋼的焊接殘余應力測試，同時這種方法更可以在水壓試驗前后在同一部位進行復測，實現了水壓試驗前后殘余應力的測試對比，具有其他殘余應力測試方法方法無可比擬的優(yōu)越性。根據水壓試驗前后殘余應力測試數據結果，1號鋼岔管總平均值殘余應力消除率P1=39.43%，2號鋼岔管總平均值殘余應力消除率P2=28.13%，充分驗證水壓試驗對焊接殘余應力的峰值起到有效的消減作用，為鋼岔管的后期長久安全運行提供了有力保障。