新疆夏特水电站国内首个水平底钢岔管水压试验应力变形检测

徐 云 斌， 胡 建， 薛 晟 黎

(1.阿坝水电开发有限公司，四川 成都 610041； 2.克州新隆能源开发有限公司，新疆 乌恰 845450)

1 概 述

压力钢管是水电工程中输水建筑物的重要组成部分,承受着较大的内水压力以及自身的重量和水重，对整个电站的安全运行有着重要的影响。由于新型焊接技术和高强钢的广泛运用，压力钢管的制造越来越大型化，但同时焊接缺陷等问题在制造过程中仍无法消除[1]。因此,压力钢管在投入运行前进行水压试验有着重要的意义。水压试验不但可以在超载内压情况下暴露结构缺陷，检验结构整体安全度，也可在缓慢加载条件下，使缺陷尖端发生塑性变形从而造成缺陷尖部钝化。

因此,水压试验是对压力钢管设计、制造合理性与正确性一次全面的验证，是检验设计、制造科学性、经济性、合理性的可靠手段，是对材料选择及焊接工艺等的全面检验。

压力钢管在水压试验的不同压力状态下会产生不同的变形,并有一定的限度和规律。如果变形超出一定限度或违反正常规律,则说明其工作状态不正常,应及时采取相应的措施。因此，需要采用变形测试以了解压力钢管在水压试验不同压力状态下的变形情况[2]。变形监测是对被监测的对象或物体进行测量以确定其空间位置随时间变化的特征。通过水压试验监测岔管变型量是否在规范允许内。变形监测是在充水加压过程中，监测水压试验过程中岔管外形的变化趋势，采用有限元计算的相应水压下的变形值作为预警值，以保证水压试验过程中钢岔管的安全。

水压试验是保证岔管安全运行的重要检验手段,不但可以用来检查焊缝处是否存在缺陷,而且可以用来消减由于焊接所产生的残余应力。因此,在没有经过明确的论证和严格过程质量控制情况下,钢岔管应做水压试验。水压试验一般在现场或工厂进行,可能占用一定工期且实际操作具有一定的复杂性。随着有限元数值计算技术的不断发展,对钢岔管水压试验工况进行数值模拟可以预先了解钢岔管的应力分布,为现场水压试验钢岔管测点的布置、实测应力分布及规律的对比提供依据,也可为钢岔管水压试验设计支撑方案提供参考[3]。另外,对于考虑与围岩联合承载设计的地下埋藏式钢岔管,由于设计时未要求其承担全部内水压力,因此水压试验压力不能直接按设计内水压力的1.25倍进行取值,而是需要通过有限元数值模拟,按照水压试验工况的抗力限值试算确定试验压力值。

新疆夏特水电站引水压力钢管的3个岔管均采用对称平底岔管型式，以便于防止钢管内低洼处泥沙於积沉淀，同时保证检修时钢管内排水通畅，岔管有1个φ4.7 m/3.3 m和2个φ3.3 m/2.3 m对称平底岔管，布置在电站厂房前的引水隧洞出口外，岔管按明管设计，承受100%的内水压力，岔管材料采用07MnMoVR高强度低合金钢，岔管为“Y”形平底三梁岔，分岔角70°。设计水头为360 m(含水锤)。由于该岔管结构型式国内暂无工程实例，且规模大，岔管HD值(水头×管径=1 692 m2)高，为保证工程设计安全可靠，需要对该岔管进行水压试验，并通过水压试验数据对有限元设计成果进行分析验证。水压试验设计压力为P=4.5 MPa(岔管正常运行承受最大内水压3.6 MPa)。该标段水压试验范围为电站引水隧洞压力钢管两种规格的3个岔管[4]。

2 压力管道测试

2.1 试验保温措施

2.1.1 水温控制措施

规定的环境条件。为满足高压钢岔管水压试验能按照设计要求顺利进行,需积极采取有效水压试验温控措施,以确保钢岔管水压试验能顺利平稳安全地完成[5]。首先就考虑水压试验过程中的注水温度的控制,具体措施如下:

水温加热装置,其设计思路就是参考了现在很常见的家用即热热水器原理及工作特点:不需预热，无需等待,随时都可以用上热水。一般市面上的即热式电热水器普遍功率较大,用时只要打开水龙头,数秒中便可有温度适宜的热水供应，十分快捷方便。但选择的加热棒的功率还要远大于家用的,一般家用的即热热水器的功率在6～8 kW,可以保证热水温度在429 ℃左右,但其输出的热水量仅为2.5 L左右。显然这种出水量难以满足水压试验钢岔管近150 m3的容量要求,设计的水温加热装置的水箱容量为0.27 m3,按照这一比例进行计算,设计了五根加热棒,每根加热棒的功率为12 kW,整个水温加热装置所用的加热棒功率加起来总和为60 kW，可以将自主设计水箱内的即热温度预留在30 ℃左右，也满足了正常的室温要求，而实验结果也正如所预期的,注水温度达到了279 ℃。这个装置的安全性能，也是需要重点考虑的环节，在容积为270 L的金属箱子里面装置60 kW的加热棒,很可能会烧毁线路,也会使水箱的水温过热。如果不及时处理,会导致给水量不足的情况。为保证水压试验的正常进行,需派专职人员,时刻对温控箱表面温度进行检测。最终，发现温度过热,就立刻断电检修,因此整个实验过程,均没有出现类似事件。整个装置的使用性能也得到了实验验证,为今后在恶劣的低温条件下进行水温控制提供了借鉴。另外还在取水管外表面均包裹上保温橡胶海绵，保温橡胶海绵简图见图1。

图1 保温橡胶海绵简图

通过这一措施,实验后表明,基本可以保证从水压试验供水处引出的水到水温加热装置处的水温基本保持不变，在5 ℃左右。但最重要的是,可以预防在极端低温的外部环境中,细内径小流量的取水管在室外结冰冻结导致不能正常工作,耽误水压试验进度及岔管交货进度的情况。经过采用的双层温控措施以后,高压钢岔管水压试验注水水温在279 ℃。

2.1.2 环境温度控制措施

在环境温度控制方面,搭设彩钢结构防风、防雨雪棚,外面包裹上防雨油布,保证棚子不透风、不透雨、不漏雪,处于一个封闭式状态，以便于整个棚内的环境温度能得到控制,将外部恶劣的自然环境隔开。为了能够将棚内的环境温度提高到适宜温度，在搭好的防风棚内的岔管底部平台上铺上6组加热板(6×6=36 块)，棚子顶部设置9块加热板,一共45快加热板,对水压试验施工环境进行提温，棚内上下各布置1块测温计。在这种条件下,底部环境温度稳定在12 ℃,顶部离加热板更近,测量温度在209 ℃,通过这一措施已经满足了水压试验对环境温度的要求。为防止长时间工作，导致加热板过热烧坏，购买了热电偶,使环境温度可以设置在一个数值上,方便对环境温度进行控制，同时又可以避免加热板不间隙工作，导致电路疲劳工作引起线路烧毁，更让工作人员减少控温工作量。同时安排维护电工定时检查电路安全状态,保证水压试验全过程的环境温度控制环节不出现故障。

2.2 监验方法和过程

2.2.1 测试设备

该次试验监测所用主要仪器设备有：位移传感器、静态应变仪、应变计。该次试验监测所用主要仪器设备见表1。

表1 该次试验监测所用主要仪器设备

(1)采用江苏金诚测试仪器厂WYC型位移传感器，量程0～20 mm，环境温度-30 ℃～65 ℃，0.5% FS。

(2)采用江苏东华测试技术有限公司DH3816N静态应变仪，量程±15 000 με。

(3)采用中航电测TJ120-4AA、TJ120-3CA、TJ120-3BB应变计，电阻：120±0.5 Ω，灵敏度系数：2.10±1%，适用温度：0 ℃～80 ℃，准确度0.1。

2.2.2 闷头制作与安装

闷头使用同岔管材质相同钢材制作过渡锥，其焊接均按照DL5017-2007《水电水利水利工程压力钢管制造安装及验收规范》的要求进行，并使用加强劲板连接加固，在高压力的情况下不发生任何超标的变形。在封堵闷头上设置补排气阀，通过布置连通管，将岔管最高处的位置连通到补排气阀上，一旦充水加压时，可将管道内最高处的空气排出。在封堵闷头上设置充水阀及一套高压水泵和一套排水阀。φ4.7 m/3.3 m 闷头尺寸偏大,分5瓣运至安装现场并组装成整体,2个φ3.3 m/2.3 m闷头整体制作运输至现场。

2.2.3 打压准备

(1)岔管组装和焊接完成后,检查岔管的相关几何尺寸,对焊缝进行无损探伤检查,检查结果应合格,并由现场监理工程师的签字认可。

(2)检查岔管支撑加固情况,由于充水后的岔管重量比较重(估算1 900余t),因此必须保证支撑的强度和稳定性。将原有的独立支墩,用φ30圆钢连接成整体,并根据现场实际情况分段用混凝土筑成环状支墩。支墩应避开焊缝位置,并预留检查通道。

(3)在岔管周围布置两台排水泵，做好排水应急措施,排水管路直接敷设到道耶坎河下游。

(4)水压试验所需的相关试验设备及专用工器具准备好，将电动加压泵排气阀、进水阀、泄压阀、压力表计组装就位，检查打压设备工作是否正常，管路连接是否正确且检测仪表显示是否正常。

(5)检验进水口和排气口的安装情况，检查焊缝的质量情况。

(6)在岔管周围需要对称搭设脚手架和爬梯,作为在水压试验时对试验情况进行观测和检查的安全通道。

(7)选用量程0～4.0 MPa压力表分别装在闷头顶部与底部。在充水过程及建压开始阶段,水压变化较小，可加装量程0～1.0 MPa压力表,以检测初期压力变化过程。

(8)在岔管顶部、底部、两侧腰部分别布置百分表,用来监测充水和压力试验过程中岔管的变形情况,以及泄压排水后,岔管变形恢复情况。在现场条件允许的情况下,根据数据需要,其他部位可以加装百分表,同时增加数据记录人员的投入。这样可以更加真实地了解岔管在充水及压力试验过程中的变形或位移情况。

2.2.4 打压试验程序

(1)将充水用的软管牵引至岔管附近,通过旁通阀对岔管进行注水，需要注意的是,在注水时应开启闷头上部的排气阀,进行充分排气,避免岔管内部形成空腔。观察排气管,当上部出水且不再有气泡时关闭旁通阀与排气阀,岔管注水结束。

(2)开启电动试压泵,开始对岔管进行逐步加压。检查所有阀门及其与岔管连接处有无漏水情况，如果发现异常情况，暂停加压并进行处理。由于主岔管与次岔管连成整体打压,体积较庞大,压力上升较慢,需要两台电动试压泵同时向岔管内加压,待压力接近试验压力时，关闭一台电动试压泵。

(3)水压试验压力应缓慢上升,上升速度控制在0.05 MPa/min以内。当水压缓慢升至设计压力时,关闭电动试压泵,停止加压,保持当前压力10 min。

(4)岔管水压试验过程中，如发现泄漏或其他异常现象时,应立即关闭电动试压泵，停止加压,如需要处理焊缝或法兰把合面时,必须在岔管泄压后进行。

(5)岔管水压试验升压降压过程均顺利完成,试验过程未发现异常现象，经现场监理、设计人员、业主会签后水压试验结束。

(6)水压试验验收全部合格,则将岔管整体移交给土建单位,并进行回填混凝土，混凝土回填过程中,应派专人在现场进行监测,避免岔管发生位移的情况。

2.3 监测点布置

2.3.1 布点原则

根据试验方案要求,考虑“Y”形平底岔管结构型式和国内暂无工程实例，且规模大。在岔管进口的侧面、底部和出口的侧面、底部，架设9只千分表，监测变形量，钢岔管应力测量的重点部位为钝角区、肋板旁管壳区和月牙肋板处，闷头和连接锥管段亦应布置部分测点。

2.3.2 水压试验变形测试

千分表分别布置在岔管进口的侧面、底部和出口的侧面、底部，千分表编号以顺时针方向，共 9 个测点，岔管水压试验变形观测布置简图见图2。

根据月牙形内加强肋岔管的受力特征，钢岔管应力测量的重点部位为钝角区、肋板旁管壳区和月牙肋板处，闷头和连接锥管段亦应布置部分测点。岔管水压试验应变片布置简图见图3。

图2 岔管水压试验变形观测布置简图

新疆夏特水电站的岔管均采用对称平底岔管型式，为能将水压试验数据与有限元设计成果进行分析验证，在岔管的主管、支管、支锥及肋板上分别设置电阻应变片。钢岔管内部管壁及肋板共布置测点26 个，其中 5 个三向应变片测点，21 个双向应变片测点(位置见图3)。分别为：主管内壁布置 3 个双向测点，测点编号为 A1、A2 和A3；主管与支锥管相交内壁部位布置 3个双向测点，测点编号为 B1、B2、B3；支锥管与支管相交内壁部位布置 3 个双向测点，测点编号 C1、C2、C3；U 梁与支锥管相交内壁部位布置 5 个三向测点，测点编号为 D1、D2、D3、D4、D5；U 梁内缘布置 9 个双向测点，测点编号为 E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8、E9；支管内壁布置 3 个双向测点，测点编号 F1、 F2 和 F3。岔管外部管壁共布置测点 15 个，其中 3 个三向应变片测点，12 个双向应变片测点。分别为：主管外壁布置 3 个双向测点，测点编号 G1、G2 和 G3；主管与腰梁相交外壁部位布置 3 个三向测点，测点编号 H1、H2 和 H3；支锥管外壁靠 U 梁及腰梁附近布置 3 个双向测点，测点编号 I1、I2 和 I3；支锥管与支管相交外壁部位布置 3 个双向测点，测点编号 J1、J2 和 J3；支管管壁外壁布置 3个双向测点，测点编号 K1、K2 和 K3。应变片的布置按轴向、环向定义。所有测点位置打磨抛光，清洗干净。

图3 岔管水压试验应变片布置简图

2.4 监测成果

2.4.1 变形测试结果与分析

钢岔管内充满水，仪器调零，根据水压试验工作程序，达到一定水压时记录变形数据。

在试验过程中，分别在 0 MPa、0.9 MPa、1.8 MPa、2.8 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa、3.6 MPa、2.8 MPa、1.8 MPa、0.9 MPa卸压至 0 MPa 时记录千分表变形数据：

1号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，最大变形值为 3.026 mm，位于进口左侧 3号测点处，满足规范要求。

2号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，最大变形值为 1.419 mm，位于进口底部 2号测点处，满足规范要求。

3号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，最大变形值为 1.274 mm，位于右侧出口右侧 4号测点处，满足规范要求。

2.4.1 应力监测结果与分析

钢岔管内充满水，仪器调零，根据水压试验工作程序，达到一定水压时采集应力应变数据。

在试验过程中，分别在 0 MPa、0.9 MPa、1.8 MPa、2.8 MPa、3.6 MPa、4.5 MPa、3.6 MPa、2.8 MPa、1.8 MPa、0.9 MPa、卸压至 0 MPa 时采集数据。

1号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，管壁最大应力值为 253.5 MPa，位于 J2 测点；月牙肋最大应力为 170.9 MPa，位于 E5 测点，各测点最大应力值均小于许用值。

2号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，管壁最大应力值为 292 MPa，位于 D4测点；月牙肋最大应力为 136.4 MPa，位于 E5 测点，各测点最大应力值均小于许用值。

3号钢岔管水压在 4.5 MPa 时，管壁最大应力值为 298.2 MPa，位于 D4 测点；月牙肋最大应力为 137.1 MPa，位于 E5 测点，各测点最大应力值均小于许用值。

3 结 语

通过上述几项温度控制措施,保证钢岔管水压试验时的环境温度及水的温度满足设计要求，从而保证了钢岔管水压试验得以顺利进行。通过对水电站水平底钢岔管水压试检应力变形检测，试验表明岔管的设计是合理和正确的，钢材性能可靠,焊接接头性能良好，同时通过试验削平了残余应力的峰值。钢岔管完全可以满足充水发电的要求。通过试验应力和变形都在可控范围之内，也表明该工程岔管安装与厚板焊接的重点和难点得到了攻克。水压试验进行顺利，岔管各项指标均满足设计和规范要求。