鍋浪蹺水電站生態(tài)機(jī)組岔管水壓試驗(yàn)及應(yīng)力檢測(cè)研究

楊小軍，楊 宏

（四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072）

0 前 言

在岔管制造生產(chǎn)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生多種應(yīng)力，這會(huì)對(duì)岔管的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，故需采取措施消減殘余應(yīng)力。水壓試驗(yàn)是保證岔管安全運(yùn)行的重要措施。鍋浪蹺水電站生態(tài)機(jī)組岔管較小，采用的是在制造廠進(jìn)行整體水壓試驗(yàn)來(lái)消減殘余應(yīng)力，同時(shí)對(duì)岔管設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量進(jìn)行總體檢驗(yàn)。

鍋浪蹺水電站位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內(nèi)，系青衣江一級(jí)支流天全河梯級(jí)開發(fā)中的龍頭水庫(kù)，為單一發(fā)電工程。電站采用混合式開發(fā)方式，主要工程布置有混凝土面板堆石壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪放空洞、生態(tài)機(jī)組、引水系統(tǒng)（含引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道）及電站廠房（含主副廠房、安裝間、GIS）等。水庫(kù)正常蓄水位1 280.00 m，總庫(kù)容約1.84億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容1.31億m3，最大壩高186.30m，最高水頭280 m，電站裝機(jī)容量3×70 MW（主機(jī)組）+10 MW（生態(tài)機(jī)組），設(shè)計(jì)引用流量94.5 m3／s。其中，10 MW裝機(jī)為生態(tài)流量機(jī)組，生態(tài)流量機(jī)組廠房位于大壩下游約100 m處左岸坡腳，從左岸引水隧洞外側(cè)邊墻開岔洞取水，沿廠房后側(cè)山體布置壓力管道直通廠房。生態(tài)機(jī)組壓力鋼管采用“一分二”內(nèi)加強(qiáng)型月牙肋岔管，1號(hào)支管給機(jī)組供水，2號(hào)支管經(jīng)旁通閥進(jìn)入天全河。岔管公切球直徑為1 920 mm，岔管主管內(nèi)直徑1 600 mm，1號(hào)支管內(nèi)直徑1 600 mm，2號(hào)支管內(nèi)直徑1 200 mm。岔管采用Q345R容器板制造，岔管壁厚均為20 mm，月牙肋厚度為46 mm。

1 岔管水壓試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

岔管在制造成型時(shí)，各管節(jié)瓦片經(jīng)機(jī)械卷制、瓦片拼裝、管節(jié)環(huán)縱縫焊接等施工，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生軋制應(yīng)力、熱處理應(yīng)力、現(xiàn)場(chǎng)卷制中的機(jī)加應(yīng)力、焊接收縮應(yīng)力等多種應(yīng)力。盡管制造過(guò)程中采取了消應(yīng)措施，但仍不能完全消除，最后在其內(nèi)部將產(chǎn)生較大且不均勻的殘余應(yīng)力，可能使岔管處于不平穩(wěn)或不安全狀態(tài)，降低了岔管的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械物理性能，使岔管在使用過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力變形和失穩(wěn)，尺寸精度得不到保證。由于受岔管體型大小、焊接方式、焊接填充量的影響，岔管的殘余應(yīng)力是不一樣的。因此，在超載內(nèi)壓下了解岔管結(jié)構(gòu)缺陷，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)整體安全度，以確保安全運(yùn)行；當(dāng)岔管焊接完成后，必須消減其內(nèi)部的殘余應(yīng)力，而消減岔管殘余應(yīng)力最好的方式就是水壓試驗(yàn)。通過(guò)水壓試驗(yàn)，可進(jìn)一步檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的合理性、整體安全度，為岔管的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保證；使岔管發(fā)生塑性變形，削減焊接殘余應(yīng)力及不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力；并可以檢驗(yàn)制造和安裝質(zhì)量的可靠性。

2 岔管水壓試驗(yàn)

2.1 水壓試驗(yàn)技術(shù)要求

（1）試壓時(shí)水溫應(yīng)在5℃以上。

（2）水壓試驗(yàn)分四級(jí)加載（一級(jí)壓力值：P1=0.85 MPa；二級(jí)壓力值：P2=1.70 MPa；三級(jí)壓力值：P3=2.55 MPa；四級(jí)壓力值：P4=3.40 MPa），加壓加速度不大于0.05 MPa／min，每級(jí)加載至設(shè)計(jì)壓力后保持30 min以上，檢查焊縫以及其他結(jié)構(gòu)安全；同時(shí)，壓力表指針需保持穩(wěn)定且無(wú)異常才被允許繼續(xù)加壓，當(dāng)升至設(shè)計(jì)工作壓力3.40 MPa后穩(wěn)壓30min以上，檢查壓力鋼管及其附件的安全性，無(wú)異常后按原加壓的相反順序分級(jí)卸荷。

（3）壓力鋼管水壓試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)設(shè)置應(yīng)變量測(cè)儀器，并在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)讀數(shù)據(jù)，分析應(yīng)力變化情況。

（4）試驗(yàn)完畢后，應(yīng)割去悶頭及管壁聯(lián)接段的熱影響區(qū)，余留長(zhǎng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

（5）試驗(yàn)完成后，承包人應(yīng)提交水壓試驗(yàn)報(bào)告。

2.2 水壓試驗(yàn)安全注意事項(xiàng)

（1）岔管本體制造質(zhì)量是檢驗(yàn)水壓試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵之一。一般情況下都要進(jìn)行出廠檢查驗(yàn)收，重點(diǎn)檢查原材料質(zhì)量、組裝質(zhì)量、焊接質(zhì)量。任何質(zhì)量缺陷或疑點(diǎn)均應(yīng)追溯確認(rèn)，保證岔管本體制造質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（2）試驗(yàn)悶頭一般也是由制造廠提供，檢查悶頭本體的質(zhì)量應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

（3）悶頭組裝焊接質(zhì)量檢查中，悶頭焊縫質(zhì)量是檢驗(yàn)試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵因素之一。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，組裝焊接質(zhì)量較制造廠控制難度偏大，應(yīng)重點(diǎn)檢查坡口形式及尺寸、組裝焊縫質(zhì)量、焊接質(zhì)量等。

（4）成立試驗(yàn)工作領(lǐng)導(dǎo)小組，試驗(yàn)過(guò)程中由領(lǐng)導(dǎo)小組統(tǒng)一指揮，對(duì)每級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)迅速準(zhǔn)確做出判斷和分析。

（5）設(shè)置試驗(yàn)封閉警戒區(qū)，無(wú)關(guān)人員不得進(jìn)入試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)；試驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)人員盡可能避開焊縫、閥門等可能產(chǎn)生高壓水傷人的區(qū)域。

（6）試驗(yàn)過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)巡視，一旦發(fā)現(xiàn)漏水、異常變形、異常聲響、壓力突變、升壓泵異常等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，分析原因并采取妥善處理后方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 水壓試驗(yàn)工藝流程

岔管制作檢測(cè)合格→岔管水壓試驗(yàn)方案編制并報(bào)批→水壓試驗(yàn)悶頭制作、焊接、檢測(cè)→清理試驗(yàn)場(chǎng)地，安裝試壓泵、排氣閥、沖水閥和壓力表及檢測(cè)設(shè)備→進(jìn)行水壓試驗(yàn)，同步進(jìn)行岔管外觀監(jiān)測(cè)及應(yīng)力測(cè)試→悶頭及管路等拆除→編報(bào)岔管水壓試驗(yàn)報(bào)告。

2.4 水壓試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

岔管水壓試驗(yàn)采用3個(gè)悶頭與岔管焊接形成一個(gè)封閉空間，生態(tài)機(jī)組岔管水壓試驗(yàn)俯視效果見(jiàn)圖1。水壓試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：岔管主管進(jìn)水口Φ1 600 mm的1號(hào)悶頭裝焊→排氣管等附件裝焊→岔管1號(hào)支管出水口Φ1 600 mm的2號(hào)悶頭裝焊→進(jìn)水管、排水管等附件裝焊→管內(nèi)排架、工裝、壓碼等拆除→岔管2號(hào)支管出水口Φ1 200 mm的3號(hào)悶頭裝焊→外壁對(duì)水壓試驗(yàn)有強(qiáng)制約束的工裝拆除。

圖1 生態(tài)機(jī)組岔管俯視示意

（1）悶頭安裝焊接完成后，在悶頭安裝過(guò)程中，重點(diǎn)檢查坡口形式及加工質(zhì)量、組裝焊縫質(zhì)量、焊接工藝質(zhì)量等。

（2）管路、閥件及壓力表等附件安裝完成后，檢查驗(yàn)收合格。

（3）在主管的連接鋼管上，岔管內(nèi)壁的最高處設(shè)置一個(gè)補(bǔ)排氣管、一個(gè)充水閥及一套高壓水泵，最低處設(shè)置一個(gè)排水管。排氣管應(yīng)與內(nèi)壁間隙約1 mm，外端管口面應(yīng)高于岔管的最高平面，保證在水壓試驗(yàn)前排盡岔管內(nèi)的空氣。

（4）水壓試驗(yàn)管內(nèi)充水前，應(yīng)對(duì)連接于受試結(jié)構(gòu)上的工卡具、臨時(shí)支撐件、支托、起重設(shè)備等可能改變結(jié)構(gòu)本身拘束邊界條件的設(shè)施進(jìn)行解除拘束處理；應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)上的焊疤、劃痕等缺欠進(jìn)行修補(bǔ)打磨。

（5）將岔管吊裝進(jìn)入水壓試驗(yàn)場(chǎng)地平臺(tái)上，并對(duì)其進(jìn)行加固及清理試驗(yàn)場(chǎng)地，將所有與試壓無(wú)關(guān)的雜物清理出試驗(yàn)場(chǎng)地，以防試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生危險(xiǎn)。

（6）在水壓試驗(yàn)之前，承包人、檢測(cè)機(jī)構(gòu)及監(jiān)理應(yīng)共同確認(rèn)鋼岔管焊縫按合同要求經(jīng)RT+UT檢測(cè)合格，岔管悶頭焊縫經(jīng)UT檢測(cè)合格。

（7）在岔管水壓試驗(yàn)的觀測(cè)中，對(duì)應(yīng)變計(jì)及靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后達(dá)初步驗(yàn)收合格。

2.5 水壓試驗(yàn)步驟

（1）從注水管口注入潔凈自來(lái)水，如排氣孔不是岔管工件最高點(diǎn)，應(yīng)在岔管最高處設(shè)一細(xì)軟管，利用連通管原理將岔管最高處的空氣導(dǎo)至排氣管，直至水從排氣管及排氣細(xì)軟管中溢出，岔管排氣充水結(jié)束。

（2）當(dāng)管體壁溫與水溫度接近時(shí)，才能利用電動(dòng)試壓泵向岔管內(nèi)緩慢升壓（加壓加速度不大于0.05 MPa／min）。在升壓過(guò)程中，同步進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試監(jiān)測(cè)，升壓至0.85 MPa后停止加壓，穩(wěn)壓30 min后對(duì)岔管焊縫及各連接處進(jìn)行檢查。檢查時(shí)，用小榔頭或木錘適度敲打近焊縫兩側(cè)，觀察焊縫及各連接處，確認(rèn)各處無(wú)泄漏、無(wú)異常聲響后，繼續(xù)試驗(yàn)。

（3）壓力泵緩慢升壓至1.70 MPa、2.55 MPa、3.40 MPa，當(dāng)升壓至3.40 MPa后升壓結(jié)束，每級(jí)穩(wěn)壓30 min，穩(wěn)壓期間檢查方式同上，上一級(jí)無(wú)異常后方可進(jìn)行下一級(jí)試驗(yàn)。

（4）開始逐級(jí)減壓時(shí)，由3.40 MPa降至2.55MPa、1.70 MPa、0.85 MPa，穩(wěn)壓10 min后，檢查并同步應(yīng)力測(cè)試，確認(rèn)各處檢查及應(yīng)力變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均無(wú)異常后再繼續(xù)下一級(jí)試驗(yàn)。

（5）壓力回降至大氣壓時(shí)，先打開排氣管閥門，再打開排水管閥門，鋼岔管自流排水。

2.6 悶頭拆除

岔管內(nèi)的水放空之后，拆除加壓泵，卸下壓力表、閥門等試驗(yàn)設(shè)備。割除悶頭時(shí)，將鋼管上悶頭焊接時(shí)的熱影響區(qū)一起割除。全部悶頭割除后，將殘留焊疤等打磨清除干凈，剩下的鋼管長(zhǎng)度需滿足施工中對(duì)尺寸、坡口等要求。

3 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

岔管應(yīng)力測(cè)試的重點(diǎn)部位為主管與支管的縱縫、環(huán)縫的對(duì)接焊縫、月牙肋腰部，所有測(cè)點(diǎn)均布置于鋼岔管外壁，距焊縫20 mm。1號(hào)至14號(hào)測(cè)點(diǎn)為雙向電阻應(yīng)變計(jì)，其X方向表示水流方向（軸向），Y方向表示圓周方向（環(huán)向）；15號(hào)測(cè)點(diǎn)為單向電阻應(yīng)變計(jì)，測(cè)點(diǎn)布置在月牙肋腰部。將電阻應(yīng)變計(jì)與DH3816型靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，在調(diào)試正常后，記錄各壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。測(cè)點(diǎn)布置參見(jiàn)圖2。

圖2 生態(tài)機(jī)組岔管應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)示意

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析處理

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)力測(cè)試詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，σX表示水流方向（軸向）應(yīng)力，σY表示圓周方向（環(huán)向）應(yīng)力；正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。

表1 應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù) 單位：MPa

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)試驗(yàn)壓力為3.4 MPa時(shí)，最大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)為主管與支管環(huán)焊縫右側(cè)腰部的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，實(shí)測(cè)值為166.1 MPa，接近Q345R材料的許用應(yīng)力值（167 MPa），其余各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值均低于Q345R材料的許用應(yīng)力值（167 MPa）。對(duì)13號(hào)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)線性度為0.999 8，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值和試驗(yàn)壓力值呈良好的線性關(guān)系，表明在試驗(yàn)壓力循環(huán)下，測(cè)點(diǎn)處于彈性形變狀態(tài)，同時(shí)說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試工藝穩(wěn)定可靠。其中對(duì)13號(hào)測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)線性度為0.999 8，說(shuō)明該測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值和試驗(yàn)壓力值呈良好的線性關(guān)系，表明在試驗(yàn)壓力循環(huán)下，測(cè)點(diǎn)處于彈性形變狀態(tài)，同時(shí)說(shuō)明測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試工藝穩(wěn)定可靠。

4 結(jié) 語(yǔ)

水壓試驗(yàn)是對(duì)岔管設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量的總體檢驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的計(jì)算參數(shù)和成果、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選擇，可驗(yàn)證岔管各部位特別是一些重要部位的應(yīng)力分布及變形是否與設(shè)計(jì)相符合，同時(shí)檢驗(yàn)制造安裝焊接工藝、焊接質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，并通過(guò)分級(jí)加載試壓，消減岔管內(nèi)殘余應(yīng)力，改善岔管焊縫的應(yīng)力狀態(tài)，保證了岔管的安全運(yùn)行。鍋浪蹺水電站生態(tài)機(jī)組水壓試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果表明，鋼岔管在水壓試驗(yàn)過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)正常，各測(cè)點(diǎn)均處于安全裕量較大的彈性變形狀態(tài)，能滿足岔管安全運(yùn)行的要求。水壓試驗(yàn)后，岔管的總體應(yīng)力雖有所降低，但應(yīng)力分布卻更均衡，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生岔管滲漏和焊縫開裂現(xiàn)象，岔管的制造及安裝質(zhì)量良好，很好地保證了電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。