核電站預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦試驗(yàn)方法及性能研究*

孫勝偉，鄧亮文

(中國(guó)建筑第二工程局有限公司，北京 100160)

0 引言

核電廠核島反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)安全殼是由反應(yīng)堆底板、內(nèi)筒體、內(nèi)穹頂、鋼襯里組成的有粘結(jié)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力管道分布于殼體中。預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦試驗(yàn)旨在通過(guò)預(yù)應(yīng)力金屬波紋管用鋼帶摩擦試驗(yàn)、預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦試驗(yàn)，將國(guó)產(chǎn)磷化鍍鋅鋼帶(國(guó)產(chǎn)鋼帶)波紋管與進(jìn)口磷化皂化鍍鋅鋼帶(進(jìn)口鋼帶)波紋管的摩擦系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，為項(xiàng)目核電廠反應(yīng)堆廠房?jī)?nèi)安全殼預(yù)應(yīng)力金屬波紋管的選用提供數(shù)據(jù)支撐。

利用磷化皂化鍍鋅鋼帶卷制的波紋管具有低摩阻性能(摩擦系數(shù)μ≤0.16)，但磷化皂化鍍鋅鋼帶的皂化工藝、技術(shù)指標(biāo)、摩擦系數(shù)等未有具體參數(shù)。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范中規(guī)定，預(yù)埋金屬波紋管摩擦系數(shù)規(guī)定值的取值下限為0.20，并不能滿足安全殼預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦系數(shù)μ≤0.16的技術(shù)要求。在我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家、地方和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中，關(guān)于磷化皂化鍍鋅鋼帶皂化工藝的技術(shù)指標(biāo)和低摩阻預(yù)應(yīng)力金屬波紋管卷制工藝的技術(shù)指標(biāo)尚屬空白[1-3]。

1 預(yù)應(yīng)力金屬波紋管用鋼帶皂化處理

1.1 皂化工藝

1.1.1皂化劑

選定長(zhǎng)沙祁勝Q(mào)S-ST94皂化粉、上海哈斯太98號(hào)皂化油2種皂化劑。

1.1.2鋼帶皂化處理

1.1.2.1皂化粉皂化

1)2個(gè)恒溫水箱中加入飲用水，恒定溫度設(shè)置為80℃，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，第2個(gè)恒溫水箱中加入皂化粉，皂化液濃度按1∶10(質(zhì)量比)進(jìn)行配制。待皂化粉充分溶解后，開(kāi)始皂化鋼帶。

2)將國(guó)產(chǎn)鋼帶通過(guò)第1個(gè)恒溫水箱，除去鋼帶表面雜質(zhì)，然后再通過(guò)加有皂化粉的恒溫水箱，鋼帶通過(guò)速度控制在1min/m，確保皂化液完全附著。

3)皂化過(guò)程中，隨時(shí)觀察2個(gè)恒溫水箱液面情況，當(dāng)液面低于水箱中鋼帶表面時(shí)，應(yīng)及時(shí)添加皂化液。

皂化粉皂化工藝如圖1所示。

圖1 皂化粉皂化工藝

1.1.2.2皂化油皂化

1)將國(guó)產(chǎn)鋼帶安裝在放線架上，鋼帶與卷管機(jī)連接，在卷制過(guò)程中對(duì)鋼帶底面涂刷皂化油(即波紋管內(nèi)壁)。

2)卷制過(guò)程中，用滾筒對(duì)鋼帶底面涂刷皂化油，速度控制在≤8m/min，確保不漏涂。

3)因皂化油遇水溶解乳化，卷制過(guò)程中不開(kāi)啟卷管機(jī)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。

1.2 鋼帶摩擦系數(shù)

根據(jù)規(guī)范YB/T 4286—2012《金屬材料 薄板和薄帶摩擦系數(shù)試驗(yàn)方法》所規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼帶摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定(見(jiàn)表1)。

表1 鋼帶摩擦系數(shù)

試驗(yàn)設(shè)4組：國(guó)產(chǎn)鋼帶、進(jìn)口帶(法西奈)、國(guó)產(chǎn)磷化鍍鋅鋼帶并經(jīng)上海哈斯太98號(hào)皂化油皂化、國(guó)產(chǎn)磷化鍍鋅鋼帶并經(jīng)長(zhǎng)沙祁勝Q(mào)S-ST94皂化粉皂化。

經(jīng)皂化油皂化的國(guó)產(chǎn)鋼帶、皂化粉皂化的國(guó)產(chǎn)鋼帶、國(guó)產(chǎn)鋼帶摩擦系數(shù)均小于進(jìn)口鋼帶，因此鋼帶皂化有降低摩擦系數(shù)的功效。

2 預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

2.1 波紋管類型

制作波紋管的鋼帶有進(jìn)口鋼帶、國(guó)產(chǎn)鋼帶、皂化粉皂化的國(guó)產(chǎn)鋼帶、皂化油皂化的國(guó)產(chǎn)鋼帶。

2.2 模型設(shè)計(jì)

按1∶1實(shí)際半徑選取90°設(shè)計(jì)建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型中共布設(shè)12根孔道(見(jiàn)表2)，進(jìn)口鋼帶波紋管共3根孔道，其他鋼帶波紋管共9根孔道。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

表2 波紋管試驗(yàn)管道參數(shù)

圖2 波紋管摩擦試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

同一標(biāo)高層孔道半徑分別為22.7，23.4，24.1m，分為4層設(shè)置。3種不同半徑的孔道長(zhǎng)度分別為35.66，36.76，37.86m。錨固件喇叭口分別位于模型短邊兩側(cè)。預(yù)應(yīng)力鋼束均由54根φ15.7鋼絞線構(gòu)成，鋼絞線強(qiáng)度等級(jí)為1 860MPa、公稱面積150mm2、極限負(fù)荷279kN。

2.3 孔道張拉技術(shù)要求

2.3.1第1階段

0.95ΔL1<ΔL-ΔLQ<1.08ΔL1

(1)

式中：ΔL1為第1階段張拉完成后的鋼束理論伸長(zhǎng)值；ΔLQ為千斤頂內(nèi)鋼束伸長(zhǎng)值，需現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)千斤頂?shù)膮?shù)和壓力計(jì)算；ΔL為第1階段張拉完成后千斤頂內(nèi)工具錨間受力鋼束實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值。

鋼束第1階段理論伸長(zhǎng)值如表3所示。

表3 鋼束第1階段理論伸長(zhǎng)值

2.3.2第2階段

0.95ΔL0<ΔL′-ΔL′Q<1.08ΔL0

(2)

鋼束第2階段理論伸長(zhǎng)值如表4所示。

表4 鋼束第2階段理論伸長(zhǎng)值 mm

2.4 試驗(yàn)原理

2.4.1伸長(zhǎng)值計(jì)算

1)第1階段

第1階段修正后伸長(zhǎng)值：

ΔL1=Δl1-ΔLQ

(3)

千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值:

ΔLQ=ΔLQA+ΔLQB

(4)

A端千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值：

ΔLQA==Fa0(1 400+LA缸1)/54E

(5)

B端千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值：

ΔLQB==Fp(1 400+LB缸1)/54E

(6)

式中：Δl1為第1階段結(jié)束后B端實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值；Fa0為第1階段結(jié)束后A端實(shí)測(cè)張拉力值(kN)；Fp為第1階段結(jié)束后B端實(shí)測(cè)張拉力值(kN)；E為鋼絞線彈性模量,取195GPa；LA缸1，LB缸1分別為第1階段結(jié)束后A,B端實(shí)測(cè)油缸伸出量。

2)第2階段

第2階段修正后總伸長(zhǎng)值：

ΔL0=ΔL1+ΔL2=Δl1+Δl2-ΔL′Q

(7)

千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值:

ΔL′Q=ΔL′QA+ΔL′QB

(8)

A端千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值：

ΔL′QA=Fa0(1 400+LA缸2)/54E

(9)

B端千斤頂內(nèi)鋼絞線伸長(zhǎng)值：

ΔL′QB=FB0(1 400+LB缸2)/54E

(10)

式中：Δl2為第2階段結(jié)束后B端實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值；FB0為第2階段結(jié)束后B端最終實(shí)測(cè)張拉力值(kN)；LA缸2，LB缸2分別為第2階段結(jié)束后A，B端實(shí)測(cè)油缸伸出量[9-10]。

2.4.2摩擦系數(shù)計(jì)算

試驗(yàn)鋼束兩端分別安裝壓力傳感器、千斤頂，其中一端千斤頂對(duì)鋼束施加拉力，稱為主動(dòng)端；另一端千斤頂不施加拉力，稱為被動(dòng)端。當(dāng)主動(dòng)端千斤頂對(duì)鋼束施加拉力時(shí)，被動(dòng)端壓力傳感器壓力可反映出該處鋼束拉力，從主動(dòng)端和被動(dòng)端鋼束的拉力差值，根據(jù)式(1)可計(jì)算出鋼束和管道壁間的實(shí)際摩擦系數(shù)μ。

TL=T0·e-(μα+kL)

(11)

式中：TL為計(jì)算點(diǎn)L處預(yù)應(yīng)力鋼束拉力(kN)；T0為張拉端預(yù)應(yīng)力鋼束拉力(kN)；μ為預(yù)應(yīng)力鋼束與管道壁間的摩擦系數(shù)；k為管道局部偏差(每米)的摩擦影響系數(shù)，k=0.001 6。

設(shè)計(jì)要求的最終應(yīng)力F=12 052.8kN，取整數(shù)為12 053kN。千斤頂輸出應(yīng)力由千斤頂前端壓力傳感器測(cè)定，同時(shí)通過(guò)約束環(huán)避免鋼絞線與喇叭口產(chǎn)生摩擦，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器測(cè)定應(yīng)力即為孔道端鋼束應(yīng)力。

3 預(yù)應(yīng)力金屬波紋管摩擦試驗(yàn)

3.1 模型建造

場(chǎng)地清理→測(cè)量放線→預(yù)應(yīng)力錨墊板安裝→鋼筋綁扎→預(yù)應(yīng)力管道安裝→模板支設(shè)→混凝土生產(chǎn)→混凝土運(yùn)輸→混凝土澆筑→混凝土振搗→壓面→混凝土養(yǎng)護(hù)→拆模。

3.2 波紋管摩擦試驗(yàn)

孔道張拉試驗(yàn)大致順序?yàn)镃類→B類→D類→A類。

3.2.1試驗(yàn)步驟

張拉前現(xiàn)場(chǎng)檢查→壓力傳感器(約束環(huán))安裝→千斤頂安裝→鋼絞線預(yù)緊→正式張拉→放張。

3.2.2鋼絞線預(yù)緊

張拉設(shè)備安裝就位后(見(jiàn)圖3)，為便于放張后千斤頂拆卸，A端千斤頂油缸伸出10mm，關(guān)閉回油閥；B端千斤頂油缸伸出150mm，關(guān)閉回油閥。此時(shí)，工具錨不受力。

圖3 孔道張拉試驗(yàn)設(shè)備布置

采用YDC240Q型千斤頂對(duì)其尾部每根鋼絞線進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為10kN(油表讀數(shù)為3MPa)。按從內(nèi)圈至外圈的順序逐一預(yù)緊，循環(huán)2次，保證每根鋼絞線受力均勻[4-6]。

3.2.3孔道張拉摩擦試驗(yàn)步驟

鋼束完成預(yù)緊后開(kāi)始正式張拉。每根試驗(yàn)鋼束均為兩端張拉，預(yù)應(yīng)力鋼束主動(dòng)張拉端為A端，被動(dòng)張拉端為B端。孔道張拉試驗(yàn)共分2個(gè)階段。

3.2.3.1第1階段

1)正式開(kāi)始前確認(rèn)已完成預(yù)緊。

2)B端千斤頂加壓至約1 200kN停止，使應(yīng)力施加于千斤頂工具夾片，B端千斤頂和油泵關(guān)閉回油閥。

3)選取測(cè)量點(diǎn)并標(biāo)記，測(cè)量千斤頂油缸伸出量(用于計(jì)算伸長(zhǎng)值)和工具錨夾片外露量(選取上、中、下3個(gè)，用于修正伸長(zhǎng)值)。

4)利用預(yù)應(yīng)力鋼束A端千斤頂進(jìn)行分級(jí)張拉。A端千斤頂加壓至約2 400kN(約0.2Fa，F(xiàn)a為A端最終壓力)，記錄A，B端壓力值、伸出量、外露量。此后按每級(jí)約1 200kN(約0.1Fa)增壓至Fa停止加壓，記錄A，B端壓力值、伸出量、外露量。

5)主動(dòng)端千斤頂加載時(shí)應(yīng)緩慢、均勻，每級(jí)加載時(shí)間≥1min，且不得回油調(diào)整荷載；張拉至最終壓力Fa后，保壓時(shí)間≥5min[7]。

3.2.3.2第2階段

1)A端千斤頂和油泵關(guān)閉加油閥，保持A端千斤頂壓力。

2)對(duì)B端千斤頂進(jìn)行補(bǔ)充張拉，張拉方式同第1階段。被動(dòng)端按每級(jí)約1 200kN(約0.1Fb，F(xiàn)b為B端最終壓力)增壓至Fb停止加壓，記錄B端壓力值、伸出量、外露量。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，4類波紋管12根孔道摩擦系數(shù)從小到大排序?yàn)椋篊類波紋管(均值μ=0.081)

2)A，B，C類波紋管摩擦系數(shù)均小于設(shè)計(jì)假定值，D類波紋管摩擦系數(shù)接近甚至超出設(shè)計(jì)假定值。

3)因A，C類波紋管摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)假定值，導(dǎo)致其鋼絞線實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)值存在>1.08ΔL的情況。

4 結(jié)語(yǔ)

1)B類波紋管(國(guó)產(chǎn)鋼帶卷制)摩擦系數(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

2)因皂化油遇水溶解乳化，D類波紋管在模型制作過(guò)程中，皂化油涂層流失，未起到皂化潤(rùn)滑作用。因此，D類波紋管摩擦系數(shù)最大。

3)進(jìn)口鋼帶摩擦系數(shù)最大，但進(jìn)口鋼帶波紋管摩擦系數(shù)最小，說(shuō)明進(jìn)口鋼帶皂化層附著性良好，波紋管卷制過(guò)程中對(duì)進(jìn)口鋼帶皂化層損傷破壞小。

4)皂化粉皂化的國(guó)產(chǎn)鋼帶波紋管摩擦系數(shù)顯著小于國(guó)產(chǎn)鋼帶波紋管，且接近進(jìn)口鋼帶波紋管，說(shuō)明皂化粉在國(guó)產(chǎn)鋼帶表面形成的皂化層可顯著降低國(guó)產(chǎn)鋼帶波紋管摩擦系數(shù)。