水電站壓力鋼管岔管制作與水壓試驗

雷海生,揭云麗

(1.云南招標股份有限公司,昆明 650031；2.中化二建集團有限公司云南分公司,昆明 650106)

文章編號：1006—2610(2015)01—0081—04

水電站壓力鋼管岔管制作與水壓試驗

雷海生1,揭云麗2

(1.云南招標股份有限公司,昆明 650031；2.中化二建集團有限公司云南分公司,昆明 650106)

詳細介紹了水電站壓力鋼管岔管制作與水壓試驗的具體方法，通過試驗過程的外觀檢查和試驗所得數據成果進行綜合分析，從科學角度論證施工質量，達到確保工程質量和安全運行的目的。

壓力鋼管;岔管;制作;水壓試驗

1 工程概況

SNJ水電站位于云南省普洱市墨江哈尼族自治縣BL鄉、SNJ鄉和NH鄉境內。電站的工程等別為Ⅱ等大(2)型工程，永久性主要建筑物等級為2級、永久性次要建筑物等級為3級、臨時性建筑物等級為4級；電站以發電為主，采用跨流域、混合式開發。水庫正常蓄水位900.000 m，裝機容量201 MW(3×67 MW)，總庫容2.46億m3。

電站壓力管道為圓形斷面，深埋式鋼襯鋼筋混凝土結構，采用了“四平三豎”的總體方案。供水主管及支管的總長度分別約為895、310 m，供水管道系統主要由主管、岔管及支管聯合組成，主岔管和支岔管采用了“一分二”的月牙岔型式。壓力管道的設計水頭為420 m，采用的布置型式為“一管三機”。

2 岔管制作及質量控制

2.1 劃線放樣和下料

根據設計文件按照圖紙要求直接在待加工的鋼板上進行劃線，放樣應保證精度，尺寸公差應符合標準規定并考慮焊接的收縮量、合理利用材料。下料切割使用半自動氧-乙炔切割機進行。作業過程中，遵循以下原則對岔管鋼板進行分塊。

(2) 岔管管節的頂、底母線和腰線與縱縫所夾的中心角應≥15°，二者間距(指弧長)一般≥300mm。

岔管鋼板坡口和切割加工的制作工藝應符合劃線極限偏差所明確的內容，具體情況見表1。

表1 鋼板劃線的極限偏差表

2.2 坡口及邊緣加工

為了使焊縫的厚度達到圖樣規定的尺寸或獲得全焊透的焊接接頭，接縫的邊緣應按厚度和焊接工藝方法加工成“不對稱雙V形”或“不對稱X形”。

2.3 鋼板卷制

鋼板卷制加工采用3 000mm×80mm三輥筒卷板機(水平下調式)進行，兩下輥可同時或單獨水平移動，上輥可單獨上下升降運動，可以一次性完成從預彎端部到卷圓整個系列工序。卷制過程中分多次成型，控制一次下壓量不應過大，卷板工藝流程示意圖見圖1。非完整圓部分采用卷板機多次多點位分別卷制。

圖1 卷板加工制作過程示意圖

2.4 焊接、組焊及質量控制

焊接前首先將鋼管半成品進行定位、校正，之后進行清潔處理，主要是把擬焊坡口及擬焊面兩側各50～100mm范圍內的油污、鐵銹、氧化皮及其它雜物清除干凈。焊口采用固定的遠紅外線加熱器、煤氣噴燈、電加熱器等進行預熱。使用表面溫度計對焊縫周圍的溫度進行實時監控，每條焊縫兩側的測量點應≥3對。通常在距離焊縫中心線兩側的50mm處對稱布置監測點，測量寬度一般為3倍鋼板厚度的范圍且≥100mm。多層焊接時應錯開層間接頭，拆除斷弧、引弧助焊板時不得損傷母材，拆除后應打磨修整殘留焊疤使之與母材表面齊平。雙面焊接時，在單側焊接后應及時進行基礎清理并將焊疤打磨干凈，然后再繼續焊另外一面。同時，采用附加引弧和斷弧用的助焊板進行縱縫焊接，定位焊的斷弧和引弧應在坡口內進行作業。在焊接作業前首先確定焊接順序，然后選定定位焊焊點，再從構件受周圍約束較大的部位開始焊接，向約束較小的部位推進，從而達到減小收縮應力和變形的目的。

岔管的焊接、整體組裝都在加工廠內完成，焊接成型后的各項尺寸要求應符合表2的規定。

表2 球形岔管組焊后尺寸極限偏差表

球形岔管的幾何尺寸與球殼板曲率的極限偏差應滿足表3、4的規定。

表3 曲線率(球殼板)極限偏差表

表4 幾何尺寸(球殼板)極限偏差表

如果岔管尺寸受到交通運輸界限限制的時候，可以先在加工廠內根據結構要求組裝成盡可能大的部件，然后在加工廠內進行預組裝后再分件分次運送至施工現場進行總體組裝焊接。組裝后的岔管腰線轉折角偏差應≤2°。在此之前，岔管組合焊接后應在加工廠內進行應力消除處理。

3 水壓試驗

3.1 岔管特性

本工程采用WHT590高強鋼制作岔管，岔管位于主鋼管道下游側，分別設置1個支岔管、1個主岔管，岔管型式為內加強月牙肋型，岔管特性見表5。

表5 岔管特性表

3.2 試驗悶頭

根據施工現場實際情況，借鑒以往岔管水壓試驗的成功經驗，本次試驗將主岔管與支岔管焊接連為一體后進行整體性水壓試驗。悶頭為半圓形內悶頭，鋼板厚度δ=60mm，鋼板材質為日本SM570TQT鋼材。悶頭外面布置進人孔、排氣孔、進水孔和測試儀器等。悶頭通過專門加工制作的湊合節與岔管焊接在一起，組成本次試驗的主體，見圖2。

圖2 主支岔管結構平面示意圖

3.3 測點布置及測量儀器

應變測點可以布置在主管標準圓斷面上，但應重點布置在月牙肋板、肋管殼區和折角區等關鍵部位，布置情況見圖3。試驗人員使用千分表通過目測讀值監測變形情況。

圖3 應變測量點布置示意圖

3.4 水壓試驗目的及壓力的選定

鑒于本項目高水頭壓力鋼管岔管所采用的鋼板材質為WHT590高強鋼，且目前中國已建成水電站壓力鋼管道工程采用的較少，根據設計文件有關要求對其質量、應力變形消除等性能進行原型水壓試驗。本次試驗主要目的有：① 為了保證電站壓力管道的正常安全運行，需掌握岔管各部位、特別是關鍵部位的應力變形及分布情況；② 為了檢查結構整體的安全性能，通過超載內壓的方法使結構缺陷充分暴露；③ 水壓試驗時可以使得不連續部位的峰值應力和焊接殘余應力達到屈服，并在試驗退壓后消減；④ 緩慢加載時，可以使得缺陷尖端發生塑性變形直至鈍化，壓力卸載后可以產生預壓應力。

岔管試驗是在露天明管的條件下進行的，而工程實際運行時，岔管為地下埋管。為了使本次壓力試驗更具操作性和科學性，按照設計文件的有關要求，將試驗最大壓力水頭設置為525m(設計水頭為420m)，即設計壓力的1.25倍設計水頭。

Pmax=420 m×1.25×0.01 MPa/m=5.25 MPa

將試驗壓力設置為以下4個(水壓試驗的壓力變化(減壓/加壓)速度為0.05MPa/min)：

P1=2 MPa;P2=3 MPa;

P3=4.2 MPa;P4=5.25 MPa

3.5 水壓試驗步驟

水壓試驗前對現場進行全面安全檢查，排除各種安全隱患、危險物，對可能發生的危險事件制定緊急預案，以保證試驗的安全進行。

① 首先向岔管注水，并打開排氣閥門將內部空氣全部排盡，直至水流穩定溢出，保證岔管內部完全被水充滿；② 使用壓力泵連續向岔管加壓注水，直至壓力達到P1(2MPa)，保持該壓力10min后全面檢查岔管的變形情況。③ 在上一階段正常的情況下，使用壓力泵繼續向岔管加壓注水，直至壓力達到P2(3MPa)，保持該壓力10min后全面檢查岔管的變形情況；④ 在上一階段正常的情況下，使用壓力泵繼續向岔管加壓注水，直至壓力達到P3(4.2MPa)，保持該壓力30min后全面檢查岔管的變形情況。使用重量不大于0.5kg的橡膠錘或木錘在焊縫兩側15～20mm及管壁處輕輕敲擊，觀察壓力表指針讀數、記錄應變值，觀察管內壓力的穩定性，檢查焊縫有無滲水等現象及其它異常情況；⑤ 在上一階段，即工作壓力P3(4.2MPa)無異常情況下，繼續注水加壓直到試驗壓力P4(5.25MPa)時并保持該壓力30min，按照上一步驟的程序和內容進行測試檢查；⑥ 將岔管壓力降至工作壓力P3，并在維持此壓力的情況下對岔管進行詳細檢查。每個試驗壓力段均觀察和記錄岔管的漏水情況，并在⑤、⑥步驟測試應力變形情況；⑦ 依次降壓至P2、P1直至岔管內壓力為零，觀察和記錄岔管的漏水和測點變形情況。P-t曲線，即壓力-時間曲線，見圖4。

圖4 壓力-時間曲線圖(P-t曲線)

3.6 試驗結果

各測點的變形隨著給水壓力的增大而增大，當給水壓力達到最大值時發生最大變形，具體變形情況見表6。

表6 典型測試點的變形統計表

通過分析可以發現：主岔管腰部4、5號測點向外膨脹，肋板底部2號測點和頂部3號測點向內收縮，說明主岔管的頂部及底部應力值較大，其次是支岔管的10、11號測點所處的部位。處于悶頭部位的1、7～9號測點由于在實際運行中不存在，其變形值此處不作為定量分析使用，只作參考。

WHT590高強鋼的屈服極限δs≥490MPa，安全系數取1.25～1.54，則安全范圍內的允許壓力為δ=350～392MPa。通過虎克定律計算后，4、5號測點應力值δ≈310MPa，10、11號測點應力值δ≈360MPa，其它監測點的應力值均未超出300MPa。所有測點應力值均在岔管鋼板安全運行允許的范圍內。

4 結 語

將水壓試驗成果進行整理并分析，進一步驗證：作用在主岔管肋板上的應力值比較小，并且岔管的最大應力值在360MPa以內，主岔管與支岔管在項目建成后的發電運行中是安全可靠的；用于本工程的岔管焊接與制作質量達到國家相關標準，滿足設計要求。岔管的制作及水壓試驗方案可供同類工程借鑒，有一定的參考價值。

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Bifurcated Penstock Manufacturing and Hydrostatic Test

LEI Hai-sheng1, JIE Yun-li2

(1.Yunnan Tendering Co., Ltd., Kunming 650031, China;2. Yunnan Branch, China Chemical Engineering Second Construction Corporation, Kunming 650106, China)

The specific methods for the bifurcated penstock manufacturing and hydrostatic tests are described in the paper. By appearance inspection during the tests and based on the test data, the manufacturing quality is demonstrated scientifically, realizing the purposes of securing the engineering quality and safety operation.

penstock; bifurcated penstock; manufacturing; hydrostatic test

2014-08-07

雷海生(1978- )，男，山東省陽谷縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程項目管理與咨詢工作.

TV732.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.021