某水利樞紐工程鋼岔管水壓試驗爆管原因分析與處理措施研究

王冬生，伍鶴皋，李 明,魯志航

(1.新疆新華葉爾羌河流域水利水電開發(fā)有限公司，新疆 喀什 844000；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

在聯(lián)合供水或分組供水的水電站引水發(fā)電系統(tǒng)中，一般都需要設(shè)置分岔管。由于月牙肋鋼岔管結(jié)構(gòu)相對簡單，可承受較高內(nèi)水壓力，因此其成為目前應(yīng)用最為廣泛的鋼岔管型式[1- 3]。為了保證鋼岔管安全運行，水壓試驗是重要的檢驗手段，其不但可以用來檢查焊縫處是否存在缺陷，而且可以用來消減由于焊接所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，因此NBT 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》[4]規(guī)定，在沒有經(jīng)過明確的論證和嚴(yán)格過程質(zhì)量控制情況下，鋼岔管應(yīng)作水壓試驗。對于主管直徑較大的鋼岔管，有些工程為了降低水壓試驗悶頭的制作難度，往往采用縮徑的辦法，即在鋼岔管主管與悶頭之間增加一個漸縮段(以下簡稱縮徑管)進行過渡，以達到減小悶頭直徑的目的[5- 7]?？s徑管長度或錐角直接決定了其與主管、悶頭連接部位的母線轉(zhuǎn)折角以及應(yīng)力集中程度，影響到水壓試驗?zāi)芊裾＿M行，因此需要提前進行計算和研究。然而，由于月牙肋鋼岔管是一個典型的三維空間結(jié)構(gòu)，已有的解析計算方法難以準(zhǔn)確地計算上述母線轉(zhuǎn)折部位的應(yīng)力集中值，給鋼岔管水壓試驗的安全評估帶來安全隱患。

隨著有限元數(shù)值計算技術(shù)的不斷發(fā)展，對鋼岔管水壓試驗工況進行數(shù)值模擬可以預(yù)先了解鋼岔管的應(yīng)力分布，為現(xiàn)場水壓試驗鋼岔管測點的布置、實測應(yīng)力分布及規(guī)律的對比提供依據(jù)，也可為鋼岔管水壓試驗設(shè)計支撐方案提供參考[8- 9]。為此，本文結(jié)合某水利樞紐工程具體實際，采用有限元數(shù)值模型對該鋼岔管水壓試驗爆管產(chǎn)生的原因進行了分析，并提出了相應(yīng)的改進方案，研究成果可為類似工程的現(xiàn)場水壓試驗提供參考。

1 原位水壓試驗情況

某水利樞紐工程發(fā)電引水系統(tǒng)采用一洞兩機的引水方式，有2條引水發(fā)電洞，均主要由引水渠段、進水口、引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、岔管、支管組成。一條發(fā)電洞沿洞軸線最大全長6382m，引水隧洞段直徑D=8.5m，壓力管道段直徑D=7.5m。鋼岔管采用對稱的“Y”型月牙肋岔管，分岔角70°，主錐、支錐各由三節(jié)錐管過渡，岔管的內(nèi)水壓力2.8MPa，水壓試驗壓力為3.5MPa。與岔管相連接的主管內(nèi)半徑3.60m，管壁厚度46mm；岔管公切球內(nèi)半徑4.068m，岔管厚度48mm，肋板厚度96mm，均采用800MPa級高強鋼；與岔管相連接的支管內(nèi)半徑2.325m，采用WDL610C鋼，鋼管厚度44mm，支管間距20.5m。水壓試驗時采用了若干型鋼進行支撐，如圖1所示。

圖1 鋼岔管布置和鋼支撐位置示意圖

如前所述，為了減小悶頭尺寸，本工程水壓試驗原設(shè)計采用了圖2(a)所示的縮徑管方案，但在原位水壓試驗過程中水壓力施加到2.8MPa時，主管過渡錐C2與縮徑管連接處焊縫出現(xiàn)爆管，約2/3總周長的環(huán)縫被拉裂，如圖3所示。為此本文進行了爆管原因分析，并提出了改進的縮徑管方案，如圖2(b)所示，即將原設(shè)計方案中長2000mm、Q345材質(zhì)的縮徑管分成2段：一段長1600mm、Q345材質(zhì)，另一段長700mm、800MPa級高強鋼材質(zhì)，相應(yīng)將縮徑管與主管C2過渡錐的母線轉(zhuǎn)折角從23.09°變成兩個轉(zhuǎn)折角，即12.62°和10.47°，該改進的縮徑管方案水壓試驗獲得了圓滿成功。

圖2 水壓試驗鋼岔管及主管縮徑管示意圖

圖3 鋼岔管水壓試驗爆管現(xiàn)場照片

2 數(shù)值仿真模型和方案

從圖1所示鋼岔管支撐方案可知，由于本工程鋼岔管進行水壓試驗時，鋼岔管通過加勁環(huán)支撐在底部型鋼支架上，因此仿真模型除以梁單元模擬底部主要型鋼支架，并在支架下方施加全約束進行模擬計算外，鋼岔管其他部位網(wǎng)格全部采用ANSYS中4節(jié)點板殼單元。

有限元模型建立在笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)(x，y，z)下，XOY面為水平面，豎直方向為Z軸，向上為正，坐標(biāo)系成右手螺旋，坐標(biāo)原點位于主管基本錐與支管基本錐最大公切球球心處。

本文采用武漢大學(xué)基于CATIA二次開發(fā)的鋼岔管輔助設(shè)計系統(tǒng)[10-11]，首先對原縮徑管設(shè)計方案水壓試驗在2.8MPa下的爆管原因進行了分析，以下簡稱原設(shè)計方案；然后提出新的縮徑管方案，對其在水壓試驗設(shè)計壓力3.5MPa下的應(yīng)力、變形進行分析，評價其在水壓試驗壓力作用下的安全性，以下簡稱改進方案。各方案計算參數(shù)見表1。

表1 水壓試驗計算方案

3 水壓試驗原設(shè)計方案爆管分析

根據(jù)前述資料和仿真模型，計算得到了鋼岔管在水壓試驗壓力2.8MPa下的管殼及肋板的Mises應(yīng)力云圖，其中管殼內(nèi)表面Mises應(yīng)力和軸向應(yīng)力分別如圖4—5所示。另外，將圖6所示各關(guān)鍵點及肋板最大截面處內(nèi)外側(cè)兩點的Mises應(yīng)力值列于表2，然后根據(jù)規(guī)范確定的允許應(yīng)力進行校核。

圖4 管殼內(nèi)表面Mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖5 管殼內(nèi)表面軸向應(yīng)力(單位：MPa)

圖6 原方案關(guān)鍵點位置示意圖

表2 原設(shè)計方案鋼岔管水壓試驗關(guān)鍵點Mises應(yīng)力 單位：MPa

從表2和圖4—5可以看出：

(1)在鋼岔管本體(800MPa級鋼材)范圍內(nèi)，由于水壓試驗壓力才2.8MPa，所以鋼岔管本體管壁和肋板應(yīng)力都比較低，遠未到達其允許應(yīng)力，因此鋼岔管本體在已實施的水壓試驗過程中并未受到損傷，結(jié)構(gòu)完全可以繼續(xù)使用。

(2)在鋼岔管主管過渡錐C2與Q345連接錐管相貫線管腰的F點，管壁內(nèi)中外應(yīng)力分別為429.0、133.1、217.9MPa，該相貫線上最大應(yīng)力值為443.4MPa，出現(xiàn)在管頂內(nèi)表面(見圖4)，遠遠超過Q345鋼材的允許應(yīng)力309MPa和屈服強度325MPa，甚至接近鋼材抗拉強度470MPa，可能是本次水壓試驗爆管的起點。爆管主要原因是Q345材質(zhì)縮徑管C3半錐頂角太大，導(dǎo)致其與C2管節(jié)的轉(zhuǎn)折角達23.09°，引起了很大的軸向應(yīng)力集中，數(shù)值可達446.5MPa，見圖5。所以需要對此轉(zhuǎn)折角進行調(diào)整，以降低該處應(yīng)力集中程度。

(3)在主管悶頭與Q345連接錐管連接部位G點，同樣由于腰線轉(zhuǎn)折角達到了28.59°，所以也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中外表面最大應(yīng)力達到了317.9MPa，如果按3.5MPa內(nèi)水壓力進行水壓試驗，該應(yīng)力集中可達397.4MPa，將遠超過Q345鋼材允許應(yīng)力309MPa。按照縮徑管管壁厚度50mm，如果要將397.4MPa的應(yīng)力降低到309MPa以下，那么需要將G點連接部位管壁厚度增加到64.2mm以上，建議增加20mm貼邊補強。

4 水壓試驗改進方案安全評估

同樣圖2(b)改進方案重新建立仿真模型，計算得到了鋼岔管水壓試驗改進方案在壓力3.5MPa下的管殼及肋板的Mises應(yīng)力云圖，其中管殼內(nèi)表面Mises應(yīng)力和軸向應(yīng)力分別如圖7—8所示。另外，將圖9所示各關(guān)鍵點及肋板最大截面處內(nèi)外側(cè)兩點的Mises應(yīng)力值列于表3，再根據(jù)規(guī)范確定的允許應(yīng)力進行校核。

圖7 管殼內(nèi)表面Mises應(yīng)力(單位：MPa)

圖8 管殼內(nèi)表面軸向應(yīng)力(單位：MPa)

圖9 改進方案關(guān)鍵點位置示意圖

表3 改進方案鋼岔管水壓試驗關(guān)鍵點Mises應(yīng)力 單位：MPa

從表3和圖7—8可見：

(1)在鋼岔管本體(800MPa級鋼材)范圍內(nèi)，所有部位鋼岔管管壁和肋板應(yīng)力都低于各自的允許應(yīng)力，說明鋼岔管本體能夠滿足3.5MPa水壓試驗的要求。

(2)在鋼岔管主管過渡錐C2與700mm高強鋼縮徑管C3相貫線管腰的F點，管壁內(nèi)中外應(yīng)力分別為370.5、121.2、135.8MPa，該相貫線上最大應(yīng)力值不超過389MPa，出現(xiàn)在管頂內(nèi)表面(如圖7所示)，小于800MPa級鋼材的允許應(yīng)力512MPa。在700mm縮徑管C3與Q345縮徑管C4相貫線管腰的F1點，管壁內(nèi)中外應(yīng)力分別為213.7、138.9、103.1MPa，該相貫線上最大應(yīng)力值不超過231MPa，出現(xiàn)在管頂內(nèi)表面(如圖8所示)，已經(jīng)小于Q345鋼材的允許應(yīng)力309MPa，說明改進方案中將Q345縮徑管與700mm高強鋼管節(jié)的轉(zhuǎn)折角降為10.47°，已經(jīng)起到降低該處應(yīng)力集中的作用，建議采用。

(3)在主管悶頭與Q345連接錐管連接部位G點，同樣由于腰線轉(zhuǎn)折角達到了28.59°，所以也出現(xiàn)了應(yīng)力集中，但采用20mm鋼板貼邊補強后，其中外表面最大應(yīng)力降為268.2MPa，小于Q345鋼材允許應(yīng)力309MPa。說明將G點連接部位管壁厚度增加20mm貼邊補強后，可以降低該部位的應(yīng)力集中，使其在水壓試驗壓力3.5MPa作用下仍然小于Q345鋼材允許應(yīng)力。

5 結(jié)語

為了減小鋼岔管原位水壓試驗悶頭制作的規(guī)模和難度，采用縮徑管將鋼岔管本體與悶頭相連接的技術(shù)方案是可行的，但具體實施時要保證縮徑管的半錐頂角不宜過大，以減小連接部位的母線轉(zhuǎn)折角和應(yīng)力集中；當(dāng)縮徑管(包括悶頭)采用比鋼岔管本體更低級別的鋼材時，應(yīng)力校核應(yīng)以連接部位兩側(cè)較低級別鋼材的允許應(yīng)力為評價標(biāo)準(zhǔn)，以確保水壓試驗安全。鋼岔管主管與悶頭之間的連接焊縫一般是水壓試驗時的最后一道環(huán)縫，只能采用單面焊接工藝，加上該部位母線轉(zhuǎn)折角較大，也是水壓試驗時的薄弱部位，建議采取貼邊或增加跨縫加勁板的方式進行加強，以提高水壓試驗的成功率。