抽水蓄能电站钢岔管水压试验技术

陈尚林，喻 冉

（1.福建仙游抽水蓄能有限公司，福建省仙游县 351267；2.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁满族自治县 068350）

0 引言

河北丰宁抽水蓄能电站额定水头425m，引水系统采用一洞两机的布置方式，每条高压主管长约1000m，高压支管长约50m，安装780MPa级钢岔管，钢岔管承担着枢纽分流作用。

钢岔管是由多块高强钢板经卷压切割成型后在工厂进行预组装，验收合格后拆解为多个运输单元发至工地现场，完成拼组、焊接、闷头挂焊后进行钢岔管水压试验。

1 钢岔管水压试验的必要性

丰宁钢岔管采用材料为B780CF，总重66.6t，为对称Y形内加强月牙肋钢岔管，分岔角为74°，主锥管进口内直径4800mm，支锥管出口内直径3400mm，最大共切球半径2760mm，主锥管、支锥管壁厚70mm，月牙肋厚126mm。丰宁钢岔管体形见图1。

1.1 组焊过程产生大量残余应力

钢岔管壳体为卷压成型，拘束度大。钢岔管所有瓦片经过下料、切割、卷压合格后，进行工厂预组装，对全部瓦片反复校形和固定，然后拆解运输至工地，再重新进行拼组，再次对瓦片进行修正和加固，两次拼组过程加剧了瓦片的拘束度。

钢岔管焊缝密集分布，包括12条工厂焊缝和15条工地焊缝，焊缝全面包络整个钢岔管，手工焊、气保焊均有应用，平焊、立焊、仰焊同时存在，焊接难度大，热输入控制难度大，焊接残余应力较大。焊接工艺确定后，焊接速度是钢岔管焊接质量的控制要点，焊接热输入的控制极为重要，如焊接速度过快则不足以使焊接结合，如焊接速度过慢则会降低热影响区的冲击韧性。

1.2 焊接残余应力的危害和消应

焊接残余应力会降低钢岔管抗脆断性和抗腐蚀能力，严重影响设备质量[1]。若高残余应力区存在焊接缺陷，会降低该处静载强度，在往复水流的冲击下，则会加剧应力集中处的金属疲劳，可能导致焊缝应力腐蚀开裂，也可能使焊件局部屈服或失稳，进而影响钢岔管的强度、刚度和整体稳定性。

通过水压试验，可以使焊接残余应力重新分布，并消除钢岔管的尖端应力及施工附加变形，达到对钢岔管的局部削峰消应，从而提高钢岔管整体抗脆断和抗应力腐蚀能力，保证钢岔管安全稳定运行[1]。岔管残余应力测试位置布点见图2。

2 钢岔管水压试验

钢岔管水压试验是对打压过程中应力、位移、进水量及内水温度的实时监测，而且需在水压试验前后对钢岔管进行残余应力测试。如果实测应力—压力、进水量—压力曲线呈良好线性关系，则说明在水压试验过程中，钢岔管处于弹性变形状态，同时未发生渗漏和焊缝开裂。

2.1 水压试验的前提条件

钢岔管整体焊接完成后，需对主要尺寸和焊缝质量进行检查，并对内支撑进行处理。将预制的闷头和钢岔管进出水口焊接，形成密闭空间，并安装冲排水系统和打压系统，且无损检测合格。钢岔管平卧放置于数个鞍形支架上，鞍形支座与钢岔管之间垫有聚四氟乙烯板，以保证水压试验时钢岔管能自由位移。钢岔管水压试验要求环境温度不低于10℃，水温不低于5℃。水压试验前后，需对钢岔管焊接残余应力进行测量，以验证水压试验消除残余应力的水平[2]。

图1 丰宁钢岔管体形图Figure 1 Shape of Fengning steel bifurcated pipe

图2 岔管残余应力测试位置布点图Figure 2 Distribution of test points for residual stress of bifurcated pipe

2.2 钢岔管水压试验压力确定

根据钢岔管整体形状和瓦片的特点，钢岔管管壁不同区域所受应力不同，有整体膜应力区、局部膜应力区和局部膜应力+弯曲应力区，根据钢岔管钢材的力学屈服极限和强度设计值，可计算出各应力区及肋板在明管水压试验状态的抗力限值[3]。

丰宁抽水蓄能电站一期钢岔管设计压力为7.47MPa，通过对钢岔管建立力学模型，根据钢岔管焊缝排布、闷头设计、现场钢支撑实际支撑情况以及充满水的总重对钢岔管水压试验进行模拟计算分析，模拟出在不同打压压力下各主要特征点的应力变化，使各主要特征点的所有应力值不超过抗力限值，进而推算出最高打压压力为6.9MPa，同时模拟推算出水压试验过程中钢岔管位移变形和进水量规律[4]。

2.3 钢岔管水压试验过程监测

钢岔管水压试验具有一定的风险性，往往分为预打压和两次正式打压进行，试验过程需对各特征点的应力、变形和进水量等进行实时监控和分析，并将实际测试结果与模拟分析结构进行比对，当进水量和多个特征点的应力出现非线性的突变时，需立即分析并判断试验能否继续。如果出现任何一个测点的应力达到其抗力限值，则应立即停止升压。

2.4 应力测试测点布置

应力测试的方法有压痕法、盲孔法等，盲孔法需要对管壁钻孔，对钢岔管造成局部损坏，所以丰宁抽水蓄能电站采用压痕法进行应力测试。

图3 钢岔管水压试验应力测点布置图Figure 3 Layout of stress measuring points for hydraulic test of steel bifurcated pipe

水压试验应力测点布置位置应与钢岔管、闷头强度计算报告推算出的关键点一致[5]，由于钢岔管结构对称，考虑到布置测点安装方便，故应力测点布置于左（右）下半部、月牙肋的下半部和左（右）腰线上（见图3），变形测点布置于左右腰部、顶部、底部、进水口闷头和月牙肋腰线上（见图4）。

由于钢岔管不同位置的受力特点不同，故在不同的测点选用不同的应变片，分为单向、双向及三向应变片。水压试验过程中，钢岔管月牙肋受弯曲应力，沿张合方向变形，因此布置单向应变片；腰线受环向应力和轴向应力，沿环向和轴向变形，因此布置双向应变片；在焊缝附近或远离腰线处受力为局部加弯曲应力，变形无规律，因此布置三向应变片。

丰宁抽水蓄能电站根据对钢岔管受力分析，在内外壁共布置2个单向应变片、24个双向应变片和28个三向应变片。其中在钢岔管月牙肋腰线部位内外布置P14、P15两个单向应变片；在钢岔管左侧腰线布置P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P13共8个双向应变片，在顶底附近布置P11、P12共2个双向应变片，在左侧支岔腰线布置P24、P25共2个双向应变片；在钢岔管左下部布置P7、P8、P9共3个双向应变片，在中心纵缝附近布置P16、P17、P18、P19共4个三向应变片，在肋旁管壳布置P20、P21、P22、P23共4个三向应变片，在主岔管右腰布置P26、P27、P28共3个双向应变片。以上所有布点管壁内外均对应布置，且应变片中心距离焊缝边缘为15～20mm。

图4 钢岔管水压试验变形测点布置图Figure 4 Layout of deformation measuring points of steel bifurcated pipe during hydrostatic test

2.5 变形、进水量和水温测点布置

变形监测的测点布置在岔管的顶、底、腰、主管闷头中心及月牙肋腰线上（见图4），共布置10个位移传感器和1套无线信号采集系统，在各个压力循环下，按一定的压力等级采集记录一次数据。

进水量监测是通过记录各个压力等级下注入管内水的体积来实现的，可通过对外置方形水箱的水位监测来推算。

内水温监测通过内置温度传感器进行监测，即将温度传感器安装在钢岔管内，测试导线从出线装置引出后接入显示装置，环境温度则由温度计进行监测[6]。

2.6 水压试验过程设定

钢岔管水压试验预打压目标压力为4MPa，正式打压目标压力为6.9MPa。打压和泄压速率设定为0.05MPa/min，且每上升或下降0.5MPa保压10min，高压区适当增加保压时长，图5为预打压压力曲线，图6为正式打压压力曲线。

3 水压试验过程监测

图5 预打压压力曲线Figure 5 Preloading pressure curve

图6 正式打压压力曲线Figure 6 Formal pressure curve

根据水压试验开展情况总结，本文推荐一种水压试验打压记录表（见表1）和应力测试记录表（见表2），以提高水压试验安全性。为方便且直观地对打压过程应力值、进水量和变形量即时分析，应对应力测试值、进水量和变形量建表并生成折线分析图。

3.1 应力监测

将应变片通过导线与静态应变测量分析系统连接起来，调试完毕后进行水压试验，记录每个压力循环下各个压力等级对应的应变值[7]。测试结束后计算每个压力循环下各个压力等级对应的应力值。表2可用于最大试验压力6.9MPa循环下的应力测试记录。

3.2 变形、进水量和水温监测

钢岔管变形、进水量的变化对水压试验是否安全是直观且重要的判断标准[8]，表2同样可以用于各个压力等级下钢岔管变形和进水量的变化数据记录，同样要生成分析图表以进行即时分析。

表1 钢岔管水压试验打压记录表Table 1 Hydraulic test and pressure record of bifurcated steel pipe

表2 钢岔管水压试验应力测试记录表Table 2 Stress test record of hydraulic test for bifurcated steel pipe

4 结束语

随着技术发展，抽水蓄能电站出现高水头大容量的发展趋势，引水系统采用一洞两机或一洞多机布置形式可大大减少土建开挖成本，钢岔管的制造质量尤为重要。水压试验可消除钢岔管的残余应力，提高整体抗脆断和抗应力腐蚀能力，保证钢岔管安全稳定运行。钢岔管水压试验前需完成周密的策划，确保测点布置合理，试验过程安全。