大型钢岔管现场原位水压试验

张育林 周 林

中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710016

前言

随着材料工业的不断发展，水电站为节约投资，越来越多的采用集中供水或分组供水，岔管的使用越来越广泛，并且所设计的HD值也越来越大。超大型岔管制造的配料、成型、组装、焊接、消应、压水试验等工艺条件及加工设备的受限等原因，国内多数超大型岔管中心体，一般采用整体进口或由专业的设备制造公司制造。岔管的中心体在工厂进行水压试验，其它管节在现场进行组焊，不参加水压试验。

本工程距中心城市远，对外交通道路条件差，岔管整体加工试验后运输至工地安装的可能性较小。考虑技术的可能性、经济的合理性、工程工期的要求等诸多因素，为解决整体运输岔管的难题，根据工地现场场地、起吊设备、运输道路的条件，拟定在安装原位进行岔管的组装、焊接和水压试验等工作。在原位水压试验中，用百分表监测岔管变形的方法，计算岔管的内应力，方法简单可行。本工程现场原位水压试验在高强钢超大型岔管的水压试验方面，具有一定的代表性，值得研究和总结，供类似工程借鉴。

1 工程概况

泗南江水电站位于云南省思茅地区墨江哈尼族自治县那哈乡、坝溜乡和泗南江乡境内。电站以发电为主，采用跨流域、混合式开发，总装机201MW。调压室后的压力管道为埋藏式钢衬钢筋混凝土结构，圆形断面，采用“一管三机”集中供水方式。

主管直径Φ4000mm，长928.428m。支管直径Φ2000mm，总长49.935m。主、支岔管的结构型式均采用月牙岔管。主岔管的公切球直径Φ4488mm，设计水头420m，HD值1885mm，重37.95吨。月牙肋板厚δ100mm，管壁厚50mm，材料采用WHT590高强钢。岔管安装试验闷头后结构如图1所示。岔管特性如表1所示。

图1 岔管水压试验测点布置图

2 试验目的与要求

2.1 试验目的

本工程压力钢管采用的WHT590高强钢板首次应用于高水头压力管道岔管，按照设计及规范要求，进行岔管原型水压试验，目的是：①以超载内压暴露结构缺陷，检查结构整体安全度；②缓慢加载条件下，缺陷尖端发生塑性变形，使缺陷尖部钝化，卸载后产生预压应力；③焊接残余应力和不连续部位的峰值应力，水压试验时可能达到屈服，退压后得以削减。④了解岔管各部位，特别是一些重要部位的应力分布及变形情况，为电站压力管道的安全运行提供有力保证。⑤通过水压试验过程中整体变形情况，计算岔管在过载情况下的内应力，从而知道岔管的安全余量。

2.2 试验内容及要求

按表2中的数值，缓慢对岔管进行加压。每达到一个压力值后，检查岔管有无异常情况，记录压力值和岔管变形值。

表2 分阶段加压值

根据岔管在不同荷载情况下的变形，计算岔管的内应力值，掌握超载125%状况下岔管内应力的大小、超载运行工况下的安全余度。

水压卸压后对焊接残余应力的峰值得以削减。

水压试验过程必须做到：①试验数据记录齐全、真实、准确、规范；②在试验水头下保压5～10分钟，压力稳定；③在设计水头下保压30分钟，压力稳定，对应变测量完整。

3 试验工艺及流程

3.1 试验方案

主岔管与支岔管连接成整体进行水压试验。充水前安装好闷头，充水、排气、加压管路，加压泵，应变测量仪器，除支墩外，解除岔管的所有约束。如图1和图2。

图2 岔管加压前

3.2 闷头及锥管

3.2.1 闷头：

已有 4个半圆球形闷头，Φ2430mm，壁厚δ＝60mm，材质SM570TQT。主管直径D0=4046mm；试验压力P=5.25MPa；fs取380MPa；按GB150-1998《钢制压力容器》部分无损检测的单面焊焊接接头系数n=0.8，进行主管闷头的强度校核：

式中：

h—闷头直边量；

c—考虑钢板的负偏差和加工成型时的减薄量等形成的附加量。

经计算，主管闷头的壁厚δ≥36mm即可，满足要求。支管闷头的壁厚比主管小，采用相同闷头满足要求。

3.2.2 连接锥管：

闷头与主管之间用锥管连接、与支管之间用倒锥管连接。按DL/T5141—2001《水电站压力钢管设计规范》渐缩管的规定，按主管等强度设计，利用加工岔管的余料及边角料加而成。

表1 岔管特性表

3.3 应变测点布置和测量

①应变测点重点放在折角区、岔管管壳区、月牙肋板、主支管轴线、主管标准圆断面等，测点成对布置，以便准确测出水压试验过程中的应变量，避免将岔管试验过程中的位移误作岔管的变形。如图1所示。

②确保百分表与岔管间完全分离，同时要保证百分表的量程足够。

③百分表的布置必须合理、充分。必要时在同一个测点布置基础分离的备用（校正）表，进行相互校正。

④应变用百分表测量，目视读值。

⑤针对本工程的具体结构，提前应力与应变的关系曲线，读出百分表的应变值，便可立即查出应力值。

3.4 水压试验步骤

①向岔管内充水至岔管内的水从排气管溢出，充水结束；②用加压泵向岔管加压至P1压力时，稳压10分钟、检查；③无异常情况下，按此循环加压至P3压力值，保压30分钟，对岔管全面检查，用05kg～1.0kg木锤或小铁锤在焊缝两侧15mm～20mm处轻轻敲击，检查焊缝有无渗水及其它异常情况，测量记录应变值；④仍无异常时，继续加压至P4值，保压5～10分钟，再卸压至P3压力值，保压30分钟，再次对岔管全面检查，测量记录应变值；⑤对岔管进行彻底卸压，试验结束，整理试验数据、资料，分析成果，报告结论。

4 水压试验成果及分析

4.1 测量成果

在水压试验的升压、卸压过程中，未发现任何异常情况。升至最大压力值及卸压后各测点各百分表读取的量值如表3所示。各组测点间的应变量如表4所示。

表4 各组测点间的应变量（mm）

4.2 应力性质分析

从表4可以看出，测点1/6、1/7、1/8、1/9、4/5各组测点间测得的应变为正值，说明在岔管加压过程中，所受力为拉应力。月牙肋顶、底（2#、3#）之间应变为负值，说明在加压的过程中受力为压应力。

4.3 局部应力峰值削减

岔管卸压后，各组测点均有残留变形，说明产生了一定的永久变形，但该变形量均很小，对结构没有大的影响。同时，也证明对结构的局部峰值应力起到了削减作用。

4.4 最大应力计算

从图1和表4中可以看出，单位长度内应变最大值出现在“4/5”测点间。WHT590钢的弹性模量E=2×105MPa。根据胡克定律:

在水压力加至最大时，“4/5”测点间最大内应力：

同理，计算得知其它各组测点间的应力均小于300 MPa。因材料的屈服极限σs≥490MPa，所以：可计算出岔管安全系数k：

结构安全。

4.5 应力测量方法的分析比较

在岔管水压试验的应力测试中，最常用的方法是帖应变片测量其内应力，其最大的优点是加载过程中可方便的监测应力变化情况，如果应力超标，可以随时发出警报。其不足也非常明显：需要非常专业的设备与人员，设备安装较难，成本较高，且所测应力是表面和局部的应力，测得的岔管内应力情况不全面。

用百分表以测量岔管变形的方法，计算岔管的内应力，只要表的数量及布置合理，其量值准确，能全面反映岔管的内应力情况，而非表面应力。且无需专业人员与设备，仪器也易于安装，成本低廉。缺点是难以进行升压过程中应力变化的动态监测，读取应变值后需经查表（图）或计算才能知道应力变化情况。

5 结语

在岔管的水压试验及应变观测过程中，未出现任何异常情况。主岔管肋板承受75MPa的压受力，应力值较小，其余各部位均受拉应力。岔管各部位实际所受应力值，均小于材料的许用应力，能保证结构的安全运行。工程自2009年投产安全运行至今，也证明了岔管的安全可靠，此次水压试验对岔管安全性的验证是成功的。以测量岔管变形量的方法间接测量内应力的方法简单可行，经济实用，可供借鉴。

表3 各测点卸压前后百分表读取的量值（mm）

[1]张金斌,谢丽华,成莉.超高水头水电站岔管布置及水压试验[J].水利规划与设计，2012（3），P31-33

[2]陈亚琴,李建.坪头水电站岔支管整体洞内水压试验[J].水电站设计,2012（2）P51-54