坪头水电站岔支管整体洞内水压试验

陈亚琴,李 建

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

通常情况下，压力管道岔管在钢管制造厂做完单体水压试验后再整体运输就位安装。坪头水电站厂区岔管运输交通洞开挖揭示围岩破碎，且喷锚支护后放置时间较长，掉块现象严重，严重影响施工安全，故对交通洞增加了钢筋混凝土衬护，而衬砌之后的断面尺寸不能满足岔管整体运输的要求。经过权衡，最终实际采取瓦片运输、洞内拼装成型、岔支管整体洞内水压试验，很好地解决了试验场地选择和运输通道净空不足的矛盾。但需要重点关注和解决几个问题。此外，笔者也探讨了压力管道钢岔管水压试验的利和弊。

2 坪头水电站岔支管布置及设计

坪头水电站压力管道采用一管三机的布置型式，主管直径4.4m，总长约667m，支管直径2.3m，三条支管总长约98m，全部采用钢板衬砌。

压力管道主管末端设置两个内置式月牙肋岔管，设计压力4.0MPa。1号岔管为不对称“Y”形，分岔角60°，板厚36～38 mm，肋板厚76mm，主管内径4.4m，支管内径3.4m、2.3m；2号岔管为“卜”形，分岔角60°，板厚28～32mm，肋板厚64mm，主管内径3.4m，支管内径2.3m；岔管材料均为610MPa级高强钢WDB620，岔管结构布置图见图1。

岔管末端分别设置1号、2号、3号支管，其中1

图1 岔管结构布置(mm)

号、2号支管与2号岔管末端相接，长度分别为37m、30m；3号支管与1号岔管末端相接，长度为38m；均采用Q345R钢。1号、2号岔管之间用直径为3.4m的610MPa级高强钢WDB620相接。需要参加试验的岔管主要为A、B、C三个基本锥和肋板焊接好的整体。1号岔管的净尺寸为7.2m×6.4m×4.9m(长×宽×高)，2号岔管净尺寸为4.9m×5.4m×4.1m(长×宽×高)。

3 水压试验布置及准备工作

水压试验平面布置见图2，包括2个岔管和3条支管。所有岔管、岔管之间连接段及支管的全部纵、环焊缝在试验前均需焊缝探伤检查，全部合格后才能试验。

洞内整体岔支管整体水压试验需要重点关注和解决的问题有：(1)1号、2号岔管鞍形托架支撑的强度和刚度复核；(2)1号岔管主管及三个支管的闷头设计；(3)实验用表的布置；(4)安全保障措施及应急预案。

3.1 岔管支撑布置及设计

水压试验包括1号、2号岔管和三条支管段,三条支管段已回填外包微膨胀混凝土与围岩形成整体。两岔管底部加装鞍形托架支撑，鞍形托架与地面的预埋钢板焊接，托架之间用槽钢联接形成整体以增加刚度。鞍型托架的布置见图3。

图2 水压试验平面布置示意

图3 鞍型托架的布置

支撑梁的复核计算按照简支梁进行计算，支撑槽钢的复核计算按照轴心抗压结构进行计算。计算结果表明，支撑梁的刚度、强度满足要求，支撑槽钢的稳定满足要求。

3.2 闷头布置及设计

1号岔管上游的主管及三个支管的末端各焊一个打压过渡段，过渡段末端焊接闷头，这样可以减小闷头的规模。在过渡段上焊接进水管、排水管，进气管、排气管和压力表等。

(1)主管闷头1个， 材质Q345R，壁厚δ=50mm，D0=2 260mm，h=660mm，闷头直边量hz=50mm，已知最大试验压力P=4.5MPa。

(2)支管闷头3个，材质Q345R，壁厚δ=30mm，D0=1 220mm，h=330mm，闷头直边量hz=50mm，已知最大试验压力P=4.5MPa。

根据DL/T5141—2001《水电站压力钢管设计规范》中明管表6.1.4.1，在管壁厚35<δ≤50时fs=280N/mm2，根据GB 150-1998《钢制压力容器》的第3.7条，对于焊接接头系数n，当单面焊对接接头、若局部无损探伤时取n=0.8。

根据《水电站机电设计手册—金属结构(二)》公式：

式中c——考虑钢板的负偏差和加工成型时的减薄量等附加量。

计算得主管闷头壁厚24 mm，实际壁厚50mm，满足试验要求；支管闷头壁厚15 mm，实际壁厚30mm，满足试验要求。

3.3 试验用表布置

在3个支管末端闷头过渡段的底部各安装1个φ20的排水管和球阀，在1号支管闷头过渡段的顶部安装一块压力表，作为试验压力的辅助观察点。1号岔管上游端闷头过渡段的底部安装1个φ50的进水排水管和球阀，腰部安装试压泵φ20进水管和球阀，顶部安装φ20排气进气管和球阀和一块压力表，此压力表作为试验压力的主观察点，排气管在岔管内一直延伸至1号、2号岔管的顶部，便于岔管内的气体尽可能地排出去。百分表主要布置在两个岔管及其肋板上，用于测量水压试验时结构发生的应变值。另外，在3个支管回填混凝土的临界面位置各增设两个百分表，试验过程中由专人观察该位置百分表的指针摆动，如出现异常应立即停止试验。

3.4 安全保证措施及应急预案

尽管作了充分准备，但也不能完全排除试验过程中可能发生诸如电源突然消失、运行设备发生短路、焊缝破裂、支撑垮塌等意外状况。鉴于此，根据洞内场地狭窄的特点，制定了详细的安全保证措施及应急预案：

(1)试验前应对所有参加水压试验的人员进行技术、安全交底，严格按照试验技术要求及试验程序执行。压力表和百分表安装前应送检率定。

(2)在试验过程中，所有参加试验的人员必须服从现场试验领导小组的统一指挥，避免多人指挥导致误操作。试验现场使用对讲机进行通讯联络。

(3)在试验区域设置明确的警示牌，在下平洞施工支洞处用警示条进行围隔，禁止非相关人员进入，保证试验现场不受干扰。洞内光线较差，配置了充足照明，特别是对岔管的下部，在打压过程中进行仔细检查。

(4)闷头封焊前彻底清理管道内设备、工器具、材料及其它杂物。闷头与钢管的连接焊缝按一类焊缝焊接、检验。临近充水结束时，彻底排出管道内空

气，避免加压时压力管道内出现空气腔导致压力表指针颤动。排气管出水后，可以关闭排气管阀门，静置3～5min再开启阀门，如此反复进行排气，直到管口再没有空气排出为止。

(5)充水后，在开始加压前对压力管道做彻底的检查，包括管道本体、闷头、进水及排水管路、排气管路、法兰、阀门等。应无渗水、无异常移位等其他异常情况。整个水压试验过程对试验管道做全面的监控，密切注意试验过程管道及附件的变化情况，如出现异常情况，立即终止加压，进行分析，确保可以继续试验后，方可继续加压。

(6)试验过程中禁止任何人员正对闷头、焊缝、排水管口、排气管口(包括操作过程)，所有施工人员必须处在安全区域。加压过程需缓慢进行，并且密切监控压力变化。管道内压力较高，阀门操作需缓慢进行，避免因操作过快而导致排水时的高压水柱冲击人员及其设备。紧急松散通道应畅通无阻，便于人员迅速撤离到安全位置。

(7)为保证试验各项数据的精确度和试验安全，在试验场地禁止进行有振动的工作。电焊机、空压机、敲击、爆破作业等应停止。

4 水压试验程序

4.1 充 水

记录当天的气温、湿度等条件，开启1号岔管前端闷头过渡段顶部进水管球阀向各岔支管内充水，注水量控制在不大于20m3/h，至排气阀溢水关闭充水阀，然后关闭排气阀。全面检查岔管的支撑结构有无变形或位移等情况，若无异常情况则进入下一步。

4.2 水压试验

按照规范要求，水压试验压力值为设计压力值的1.25倍，应为5.0 MPa，但因为在洞内进行整体水压试验，厂区地质条件较差，为了保证安全，试验压力值采用4.5MPa，为设计压力的1.125倍。试压泵加压按表1分段进行。

通过试压泵向岔管内加压，试压泵加压、减压应缓慢、均匀，压力变化速率不得大于0.05MPa/min。在每次试压泵加压、减压操作前应记录各监测设备、压力表、百分表读数；全面检查岔管、闷头有无射水、漏水、渗水情况，并记录；全面检查岔管的支撑结构有无变形或位移等异常情况，并记录。当试压泵加压达到最大压力4.5MPa后，稳压60min，期间应用0.5～1kg的小木锤在焊缝两侧各15～20cm处轻轻敲击，并且每20min进行一次观测数据记录。试验过程中，如果出现渗漏等异常情况，应将管内水压缓慢降至自然状态，且压力变化速率不得大于0.05MPa/min，然后开启排气阀、排水阀，将岔管内水体排空后进行处理；如无异常情况可进入下一步。

表1 水压试验压力变化过程

说明：上排为稳压时间，单位“min”；中排为水泵加压压力，单位“MPa”。

水压试验全部完成后，确认岔管安全即可进行放水，结束试验。

5 结语及探讨

坪头水电站岔支管洞内整体水压试验方案前期工作准备充分，安全保证措施及应急预案合理可行，岔支管未出现异常状况，试验过程中各项监测指标均在允许范围内，证明岔管设计合理，施工质量达到要求，可保证电站安全运行。

坪头水电站洞内岔支管整体水压试验很好地解决了试验场地选择和运输通道净空不足的矛盾。

另外，笔者在此想探讨水压试验的利和弊。

水压试验的好处有：(1)水压试验以超载内压暴露结构缺陷、检验结构整体安全度，为岔管的长期安全运行提供可靠保证。(2)通过水压试验可以削减焊接残余应力及不连续部位的峰值应力。(3)通过水压试验，在缓慢加载条件下，缺陷尖端发生塑性变形，使缺陷尖端钝化，卸载后产生预压应力。

水压试验的弊端是占一定的直线工期且会产生直接费用、间接费用。

可见，水压试验的利和弊就是工程局部工期、局部费用和钢管安全的矛盾。目前，随着钢材性能改善，施工时焊接工艺改进且焊缝完全通过射线检查和超声波检查的“双100%探伤”，水压试验的功能是否可以放到引水系统试运行时一并进行呢？这需要设计人员、施工人员及钢材制造等多专业人员作进一步的探索和总结。

[1] 童保林,苏卫强,张荣斌. 昭通高桥电站钢岔管设计及水压试验[J].云南水力发电，2004 (3).

[2] 肖兵，代川平.狮子坪水电站压力钢管岔管水压试验[J].四川水力发电，2010，29(4).

[3] 伍鹤皋，汪艳青，苏凯，徐孝刚.内加强月牙肋钢岔管水压试验[J].武汉大学学报(工学版)，2008，41(5).

[4] 《四川省凉山州美姑河坪头水电站隧洞充水及首台机组启动验收设计报告》[R].成都：中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，2011.

[5] 国家电力公司西北勘测设计研究院，等. DL/T 5141-2001水电站压力钢管设计规范[S].北京：中国电力出版社，2001.