洪屏抽水蓄能電站內加強月牙肋鋼岔管原型水壓試驗研究

姚敏杰，高雅芬

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014)

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洪屏抽水蓄能電站內加強月牙肋鋼岔管原型水壓試驗研究

姚敏杰，高雅芬

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江杭州310014)

洪屏抽水蓄能電站岔管HD值高，且為國內首批采用國產800MPa級高強鋼的鋼岔管。從工程安全角度考慮，確定進行水壓試驗。通過水壓試驗檢驗鋼岔管的制作水平，鈍化尖端應力，削減焊后殘余應力，增加結構的安全度。水壓試驗表明，其最終測試結果與三維有限元計算基本吻合，為后續鋼岔管的設計提供了重要的依據。

水工結構；原型水壓試驗；內加強月牙肋岔管；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

洪屏抽水蓄能電站位于江西省靖安縣境內，緊靠江西省用電中心，與南昌、九江、武漢直線距離分別為65、100 km和190 km。鄂贛聯網的500 kV輸電線路從洪屏電站附近通過。電站為周調節純抽水蓄能電站，一期裝機容量1 200 MW。電站建成后，在電網中承擔調峰、填谷、調頻、調相和事故備用等任務。樞紐建筑主要包括上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群、地面開關站和地面中控樓等。

因鋼岔管水壓試驗需占用工程工期，且費用不菲，筆者曾研究論證過鋼岔管取消水壓試驗的可能性。但鑒于本工程鋼岔管HD值高、國內首批采用國產800 MPa級高強鋼(上海寶鋼，牌號為B780CF)，且生產制造廠家首次制作鋼岔管，從工程安全角度考慮，最終確定應作水壓試驗，檢驗鋼岔管的安全可靠度。

2014年11月，洪屏抽水蓄能電站進行了原型鋼岔管水壓試驗。中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司編制了鋼岔管水壓試驗技術要求及工況設計，中國水利水電第六工程局有限公司、電力工業金屬結構設備檢測中心負責加載系統的安裝、打壓及各項測試工作。

2 水壓試驗工況設計

洪屏電站鋼岔管采用對稱Y型內加強月牙型肋鋼岔管，設計內水壓力為8.34 MPa，HD值為3 740 m·m。鋼岔管分岔角為70°，主管直徑D=4.40 m，支管直徑d=3.0 m，公切球半徑2 511.2 mm，為主管管徑的1.141倍，管殼厚54 mm，肋板厚120 mm。

根據規范規定，鋼岔管各點的計算應力應滿足以下條件：

式中，σ為鋼岔管結構構件的作用效應計算值；σR為鋼岔管結構構件的抗力限值；σθ為軸向正應力，以拉為正；σx為環向正應力，以拉為正；τθx為剪應力，以上單位均為N/mm2。

由于鋼岔管各管節母線折角處容易產生局部應力集中現象，此部位是局部膜應力的控制點；而肋板是小偏心受拉構件，最大截面內側一般為應力最大值部位，故將這些控制點作為應力結果整理的關鍵點。通過三維有限元計算，以內水壓力1.0 MPa為例，鋼岔管整體和月牙肋最大主應力分布如圖1、2所示，管壁和月牙肋最大應力值分別為61.03 MPa和56.34 MPa。

圖1 鋼岔管整體最大主應力分布示意

圖2 月牙肋最大主應力分布示意

因在材料抗力限值內，鋼岔管承受的內水壓力與其結構應力基本呈線性關系，因此水壓試驗最大壓力按規范的抗力限值推算，初步確定為6.09 MPa。實際水壓試驗過程中，最大壓力還需結合Q/HYDROCHINA008—2011 《地下埋藏式月牙肋岔管設計導則》規定的岔管應力監測成果不超過水壓試驗工況材料的抗力限值綜合考慮。

3 原型水壓試驗

水壓試驗的目的為：①通過水壓試驗檢驗設計方案的合理性、施工質量的可靠性、結構安全性和致密性；②根據水壓試驗測試岔管應力分布和規律，與有限元分析計算成果相互驗證；③根據試驗所要求的采用應變片的觀測成果換算的應力分布情況與原型觀測應力計的測試成果作對比分析，相互驗證；④通過水壓試驗前后焊接殘余應力測試對比，評價水壓試驗消除焊接殘余應力的效果；⑤通過水壓試驗消除鋼岔管的尖端應力以及岔管施工附加變形，保證岔管安全運行。

3.1 試驗條件及壓力循環

(1)試驗狀態。洪屏引水鋼岔管采用兩岔管聯合水壓試驗方式。試驗時，兩個岔管的主管對接，悶頭與支管對接，形成密閉容器。整個岔管水平自由臥放于數個鞍形鋼支架上，岔管底點離地600 mm，鋼支架底部固定在基礎混凝土中，有足夠的剛性。鋼岔管本體與鋼支架間采用聚四氟乙烯板鋪墊，以保證水壓時鋼岔管有自由位移。

(2)環境條件。規范要求環境溫度不低于10 ℃，水溫不低于5 ℃。試驗過程實測水溫13 ℃，環境溫度在12～15 ℃。

(3) 壓力循環。按有限元計算分析成果及設計規范要求，水壓試驗設計壓力為6.09 MPa，壓力等級為2.0、4.0、5.84、6.09 MPa，加壓速度以不大于0.05 MPa/min，每級穩壓10 min，達到設計壓力穩壓30 min。

3.2 試驗結果分析

(1)體積變形分析。水壓試驗過程中，在各個壓力等級下，進水量與壓力等級呈良好的線性關系。

(2)變形分析。水壓試驗過程中，在各個壓力等級下，頂部測試的位移與壓力等級呈良好的線性關系。其余測試部位位移與壓力等級線性關系相對不一，可能受岔管外部支撐約束的影響。在最大壓力等級6.09 MPa 時，岔管的最大位移位于月牙肋腰線位置，最大位移量為3.099 mm，與三維有限元計算值接近。

(3)結構應力數據分析。從水壓試驗應力測試數據看，各測點的應力值和試驗壓力值呈較好的線性關系，說明測量系統(包括應變片處理、儀器等)穩定可靠，系統非線性誤差得到了很好地控制；也說明在6.09 MPa 壓力循環下，各測點處于線彈性狀態。對實測值與計算值對比分析可得，各壓力等級下，在岔管內部，底部測點應力最大，當試驗壓力為6.09 MPa 時，其實測值達到380 MPa；在岔管外部，仍是底部測點應力最大，當試驗壓力為6.09 MPa 時，其實測值達到394 MPa；兩值基本與該部位的抗力限值386 MPa吻合，與計算相差在2%以內。各壓力等級下，月牙肋應力最大值位于內部月牙肋腰線位置測點，當試驗壓力為6.09 MPa 時，其實測值達到320 MPa，小于該部位的抗力限值343 MPa，安全裕度較大，與計算相差在7%以內。水壓試驗6.09 MPa時實測應力與計算應力對比曲線見圖3。從圖3可以看出：水壓試驗各控制點應力實測值與三維有限元計算值總體上相吻合，尤其位于鈍角區的腰線內、外壁應力分布形狀及數值非常接近；相貫線CO和月牙肋部位略有差別，主要是該部位的應力受結構制作因素影響較大，與水壓試驗支撐條件有關，如何更好地設置鋼岔管水壓試驗支撐，以及處理好支撐約束問題的模擬有待于進一步研究和驗證。

圖3 水壓試驗6.09 MPa時實測應力與計算應力對比曲線

(4)殘余應力測試結果分析。從測試數據看，通過水壓試驗，岔管的焊接殘余應力有下降的趨勢，部分測點下降明顯。水壓試驗前岔管內壁焊接殘余應力最大值為809 MPa，水壓試驗后該測點應力值為614 MPa，下降24%；水壓試驗前岔管外壁焊接殘余應力最大值為743 MPa，水壓試驗后該測點應力值為664 MPa，下降10%。部分測點水壓試驗后，殘余應力值下降不明顯，可能與水壓試驗壓力等級較低有關，未達到殘余應力釋放的壓力條件。

4 結 論

(1)水壓試驗過程中，岔管本體未發生滲漏和焊縫開裂情況，說明岔管的制作質量可靠，這對國產800 MPa級鋼材在水電站上的應用具有突破性的意義。

(2)水壓試驗過程中，岔管的位移變形較小，說明岔管的剛性較好；岔管在最大試驗壓力6.09 MPa下，結構應力值與材料的抗力限值相近，安全裕度較大；焊接殘余應力通過水壓試驗也得到一定程度的釋放。

(3)水壓試驗工況的有限元計算與實測結果，在岔管腰部及以上管壁應力值基本相符，且計算的最大值與實測的最大值基本接近，因支座的約束對管殼局部區域的應力仍存在影響，最大測值不完全在同一測點上。

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(責任編輯 焦雪梅)

Water Pressure Test of Crescent-Rib Reinforced Bifurcated Pipe for Hongping Pumped-storage Power Station

YAO Minjie, GAO Yafen

(PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 310014, Zhejiang, China)

The crescent-rib reinforced bifurcated pipe of Hongping Pumped-storage Power Station has highHDvalue, which is the first use of 800MPa-grade high strength steel in China. From engineering safety point of view, the water pressure test of crescent-rib reinforced bifurcated pipe is determined to carry out. Through water pressure test, the product quality of steel bifurcated pipe can be examined, the tip stress can be dulled, the residual stress after welding can be reduced, and the safety of structure can be improved. The test results are consistent with the calculation results of three-dimensional finite element. The test will provide an important basis for the design of steel bifurcated pipe in future．

hydraulic structure; water pressure test; crescent-rib reinforced bifurcated pipe; Hongping Pumped-storage Power Station

2015- 08- 14

姚敏杰(1983—)，男，江蘇鹽城人，工程師，主要從事水工設計工作．

TV732.43

A

0559- 9342(2016)06- 0092- 03