800MPa級高強鋼岔管水壓試驗

黃斌

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004）

800MPa級高強鋼岔管水壓試驗

黃斌

（中國水利水電第八工程局有限公司 湖南長沙 410004）

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國產800MPa級高強鋼材料（B780CF）制造，這是國產800MPa級高強鋼材料在水電站鋼岔管項目的首次應用。為了驗證設計及鋼材的可靠性和安全性，對鋼岔管進行了焊接殘余應力測試、工作應力測試和變形測試。本文簡單介紹了鋼岔管的水壓試驗流程，并重點介紹了工作應力測試方案，為同類岔管的制造提供了依據。

800MPa級高強鋼；岔管；應力測試；水壓試驗

1 前言

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國產800MPa級高強鋼材料（B780CF）制造，這是國產800MPa級高強鋼材料在水電站鋼岔管項目的首次應用。該岔管采用對稱“Y”型內加強月牙肋結構，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，分岔角70°，岔管最大外形尺寸約為6.07m×7.10m×5.51m，設計內水壓力9.06MPa。為了驗證設計及明試驗目的，水壓試驗最高壓力按9.06MPa設定，并重復二次。

2 水壓試驗場地布置

岔管水壓試驗采用封頭與岔管連接，水壓試驗完成后，將封頭切割。岔管制造時需要在進出水口（長度方向）預留300mm焊接熱影響區余量，水壓試驗后切割除。水壓試驗采用12MPa的電動加壓泵，按照試驗大綱要求，逐步升壓。試驗場地布置如圖1。

圖1 水壓試驗場地布置圖

3 水壓試驗工作流程

根據試驗流程，水壓試驗前首先是岔管悶頭焊接、管路布置、儀器儀表架設、打壓及保溫措施準備、焊接殘余應力測試和其它各項測試的準備工作，水壓試驗過程中完成各項測試工作。工作程序如圖2。

圖2 測試工作程序圖

3.1 實驗前準備

為了保證水壓試驗的順利進行，首先根據設計文件、合同及設計圖樣等技術要求，編制岔管水壓試驗方案、水壓試驗組織機構與人員配備、水壓試驗檢測記錄表等有關試驗技術文件，報設計、監理等審批后執行并進行試驗。

岔管的主要試驗設備為電動加壓泵：采用三臺YZ4DY70/16型電動試壓泵作為主加壓設備，輔以配套管路和相應的檢測儀器儀表及3個試壓悶頭。

壓力鋼管岔管在安裝位置安裝、焊接，探傷合格后，將悶頭吊裝就位，焊接岔管與悶頭的對接焊縫，探傷合格后即開始進行水壓試驗，水源為現場臨時供水系統，采用軟管取水。打壓完成后，利用軟管將水沿廠房排水溝排出。

檢查岔管的支撐加固情況，由于水壓試驗時，荷載比較大，必須保證支撐的強度和穩定性。

按岔管水壓試驗原理圖，準備好水壓試驗所需的試驗設備、管路及專用工器具，將充水閥、排氣閥、泄壓閥、各壓力表組裝就位，檢查打壓設備、檢測儀表和管路連接情況。

檢驗悶頭的幾何尺寸、進水口和排氣口以及焊縫的質量。

3.2 試驗程序與步驟

（1）利用軟管通過旁通閥對岔管進行注水，注水的同時開啟悶頭上部的排氣閥進行排氣。當排氣管上部出水并不再有氣泡時，注水結束。

（2）啟動電動試壓泵逐步向岔管加壓，加壓過程中隨時測量檢查岔管本體及悶頭各焊縫有無異常，各閥門及其與岔管連接處是否漏水，若有異常及時進行處理。

（3）水壓試驗壓力上升速度不超過0.05MPa/min，緩慢升至設計壓力9.06MPa，保持10min；對岔管進行檢查，若情況正常，繼續升至試驗壓力值11.325MPa，保持5min；再次檢查有無滲水和其他異常情況，無異常，經監理工程師確認后利用上部泄壓閥將壓力降至設計壓力9.06MPa，保持30min，并用0.5～1.0kg的小錘在岔管的焊縫兩側各15～20mm處輕輕敲擊，整個水壓試驗過程中無滲水和其他異常情況。

（4）試驗過程中如出現泄漏和其它異常現象應立即停止加壓，需要處理時必須在卸壓后進行。

（5）水壓試驗升、降壓順利，試驗過程無異常現象，經各方會簽后水壓試驗結束。

3.3 試驗監測

水壓試驗時應進行監測的項目包括：內水壓力、水溫、變形、管殼及肋板的應力應變、不同壓力下的進水量測試等。

應根據試驗壓力設定位移、應變警戒值，進行實時監測。

在水壓試驗過程中，應設置應變計及變形監測儀器，記錄讀數。監測儀器數量及讀數量應能滿足計算管殼和肋板膜應力及彎曲應力，以及加勁肋附近區域的局部應力的要求。并應計算應力，并將成果報送業主。

3.4 試驗問題及處理

（1）明確試驗現場指揮人員和主要操作人員與檢查人員。

（2）試驗加壓前30min，由現場指揮人員召集所有參加試驗的人員進行試驗前技術交底。

3.5 試驗記錄及結論

壓力鋼管岔管水壓試驗嚴格按照招標文件的要求與水壓試驗詳細操作規程進行試驗，準確記錄各項過程和數據。

（1）整個試驗過程中應隨時檢查岔管的滲水和其它異常情況。

（2）水壓試驗前后均應進行較全面的無損探傷。

（3）水壓試驗用監測儀器的布設位置、數量應報業主批準后實施。

（4）在水壓試驗過程中，應設置應變計及變形監測儀器，記錄讀數。監測儀器數量及讀數量應能滿足計算管殼和肋板膜應力及彎曲應力，以及加勁肋附近區域的局部應力的要求。計算出應力，并將成果報送監理及業主。

（5）水壓試驗時環境溫度和試壓時水溫應在5℃以上。鋼岔管水壓試驗應在規定的壓力值下，重復兩次試驗過程。

4 水壓試驗應力測試

呼和浩特抽水蓄能電站共有2臺鋼岔管，按設計要求進行水壓試驗。并對岔管受力的重點部位如岔管的鈍角區、肋旁管殼區和月牙肋板處布置應力測點，悶頭和連接錐管段根據現場實際情況考慮布置參考測點。過程對鋼岔管進行工作應力測試。

4.1 測點布置

（1）工作片布置

水壓試驗過程結構應力測點布置按設計要求進行，岔管內外壁對應布置測點。其中：

月牙肋板上共布置8個測點，內外各4個，布置在肋板內外緣板厚中間的位置，每個測點布置一個單向應變計。

肋板相鄰管壁上共布置8個測點，內外各4個，水平中心及90°位置布置雙向應變計，15°及30°位置布置一個三向應變計。

其它管壁上共布置12點，內外各6個，每個測點分別布置一個雙向應變計。

錐管過渡管節和悶頭上的測點根據現場實際情況在背水面布置2～4個參考測點，以便監測錐管過渡管節和悶頭的受力狀況。

為了便于測試，在實際工作時可以稍做調整。內部測點與外部測點對應，內部測試線通過引線裝置引到管外。

（2）補償片的設置

岔管內、外部各設3個補償片（塊）。

4.2 應變計粘貼工藝

（1）根據布點部位及布片數量，在岔管上標出測點位置。

（2）將待貼部位用角向砂輪打磨出一個稍大于應變計面積的平面，再用120#砂布沿45°方向交叉打磨好后，進行劃線，然后用丙酮把待貼面清洗干凈。

（3）用無水乙醇清洗工具、聚四氟乙烯薄膜和待貼的應變計。

（4）將應變計待貼面均勻地涂上502膠，對準位置貼上應變計，蓋上聚四氟乙烯薄膜，沿應變計軸向擠出氣泡和多余膠液。

（5）應變計貼上后，常溫下固化4～6h。

（6）檢查應變片有無未貼合處、粘貼層有無氣泡、絲柵有無畸形；用萬用表檢查有無短路、斷路。如有以上任何一種情況要鏟去重貼。

4.3 應變計與應變儀的連接

（1）用鑷子將應變片引線輕輕地拉起。

（2）緊挨應變片引線端，用502膠水粘上接線端子。

（3）測試導線：根據最遠測試部位的距離放線，多點共用一個補償片時，工作片和補償片的導線長度、型號規格要相同，每兩根導線一組，在每組導線按順序編號。

（4）用電烙鐵按導線上的編號，將應變片引出線和相對應的每組導線一端分別焊在相應的接線端子上。

（5）將每組導線的另一端按順序與應變儀接線板插頭連接在一起。

4.4 測量系統連接

應變測量系統使用前在斷電狀態下進行連接，測量系統的連接包括PC機與CM-2B的連接、多臺CM-2B的連接和應變計與CM-2B的連接。

4.5 監測系統

CM-2B數字靜態應變測量系統如圖3組成，應變片及應變式傳感器接入CM-2B數字靜態應變儀（一個機箱可接64點）組成完整橋路。16通道A/D卡是16位的高精度模數變換器，它一端接往CM-2B數字靜態應變儀，另一端接往計算機的USB口或并行口（打印機端口），計算機通過A/D卡對CM-2B進行控制，同時采集被測信號，進行存儲、數據處理。形成較大采集系統，每一機箱也可獨立使用。

系統的工作過程如下：

應變片及應變式傳感器接往CM-2B機箱，組成完整電橋，將應變片的電阻變化轉換成電壓變化，信號在應變儀內經過放大、濾波。按預先編制的程序，通過IOC控制CM-2B的測量點轉換，在某時刻將某測量點電壓輸出信號送到ADC轉換成相應的數字量，送到計算機進行儲存、處理、顯示或打印輸出。

4.6 數據處理

（1）測試數據采集

圖3 靜態應變測量系統組成圖

在聯機狀態下，啟動應變測量系統進入測量狀態。動存入測量系統的文件包中。各加載循環過程中，密切注視應力的變化，對出現應力值急劇增加或接近、達到屈服極限的情況，應及時報告，停止增壓。

（2）數據計算

在程序中設置材料組號、應變片類型和材料的彈性模量、泊松比、應變片靈敏度系數、應變片電阻值、測試導線電阻值、屈服極限等參數后進行計算，計算機將自動計算出各測點的應力值和主應力方向。

4.7 測試報告

岔管水壓試驗完成后，承擔水壓試驗的安裝單位對試驗過程中所測讀的數據進行分析整理，評價試驗鋼岔管的安全性能及施工質量，并提交了最終水壓試驗測試成果分析報告（《壓力鋼管岔管水壓試驗報告》）。

5 結論

本次鋼岔管水壓試驗結合現場條件，進行了縝密的試驗論證和試驗準備，特別是采用了聲發射監測保證了水壓試驗的安全進行。水壓試驗采用半球形封頭，減少了封頭的設計厚度，降低了封頭制造成本。半球型封頭與岔管焊接采用單面焊接雙面成型的焊接工藝，節省了進人孔的布置。采用低摩擦材料與可滑動式支撐結合使岔管水壓試驗盡可能的保持在無約束狀態，減小了外界條件對水壓試驗數據的影響。本次水壓試驗順利通過了驗收，且各項技術指標均滿足并優于設計及有關標準和規范。本工程水壓試驗的成功，代表著國產800MPa級高強鋼岔管在水電領域有了零的突破，打破了800MPa級高強鋼岔管依靠進口的局面。

TG457.11

A

1004-7344（2016）01-0124-02

2015-11-3

黃 斌（1979-），男，工程師，本科，從事水電站大型金屬結構以及壓力鋼管、水輪發電機部件制造安裝技術管理工作。