塔貝拉水電站超大型壓力鋼管的技術優化

張 橋，岳 廷 文，金 勝

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081；2.中國水利水電第七工程局有限公司 機電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦印度河干流上，四期擴建工程是通過將現有的4號灌溉隧洞改為引水發電洞，擴容1 410 MW(3×470 MW混流式水輪機)機組，使現有電站的裝機容量3 478 MW增大到4 888 MW。

壓力鋼管布置在廠房上游側,設計為明管，部分外包鋼筋混凝土、部分由細砂覆蓋，由一條直徑為13 m的主管經4個岔管分岔為3條直徑為7.5 m的發電支管和2條直徑為8 m的泄洪支管，兩條泄洪支管末端均由圓管變為6 m(寬)×7.65 m(高)的矩形管，其中一條泄洪支管在廠房安裝間底部再由1個卜形貼邊岔管分支出1條直徑為2.8 m、厚16 mm的泄水減壓管。鋼管總長為792.3 m，所用鋼板主要厚度為22 mm、36 mm、48 mm、56 mm、60 mm等。

2 壓力鋼管的設計優化

塔貝拉水電站四期擴建壓力鋼管設計、采購及安裝均由承包商負責，業主及咨詢工程師提供單線布置圖，我公司技術人員根據單線布置圖進行詳圖設計，經工程師批準后實施。招標時，公司召開了專題會議，對招標文件中壓力鋼管管壁設計厚度、加勁環的設計結構進行了分析計算。

2.1 加勁環的優化

業主招標時其加勁環為T形結構形式：翼緣寬度為400 mm、板厚為45 mm；腹板高度為700 mm，板厚為20 mm。這種加勁環T形結構形式在我國極少采用，且T形結構形式的焊縫條數和焊接量將會加大，從而出現焊接變形、焊接內應力和焊接缺陷的概率均會加大，對鋼管結構質量不利。鑒于該工程鋼管為回填鋼管,外水臨界壓力很小，故應按明管設計計算。結合以往大多數工程設計的已有經驗，設計時由T形改為Ⅰ形加勁環型式，再根據加勁環抗外壓穩定性計算并結合鋼板的屈服強度、加勁環的有效截面面積等參數，最終獲得工程師批復，將加勁環的重量大幅度減少。

2.2 鋼管管壁的優化

由于世界鋼鐵冶煉技術和軋制技術的不斷優化和改進，新技術不斷涌現。為此，ASCE79標準(The American Society of Civil Engineers，美國土木工程師學會標準)設計允許強度1993舊版本第3.5.3條“本設計允許強度等于抗拉強度標準下限值除以3的安全系數”改為2012年新版本第3.5.3條“鋼管的基本允許應力應采用抗拉強度標準下限值除以2.4 或者屈服強度標準下限值除以1.5 ，取二者的較小值”，即設計允許強度等于抗拉強度標準下限值除以2.4的安全系數。由此得：(3-2.4)/3×100%=20%,即鋼管壁厚減薄了20%，鋼管壁重量同時亦減少了20%。

3 TOFD替代X射線探傷

在國外水電工程施工中，合同條款一般均采用FIDIC條款，施工標準采用ASME、ASCE、BS-EN、C.E.C.T等美國標準和歐洲標準，這些標準相對比較早出版，與現階段的科學技術相比存在一定的滯后。塔貝拉水電站四期擴建標準亦存在同樣的問題，施工合同要求按照此類標準進行鋼管的焊縫檢測，除進行100%的UT探傷外，需要用射線對焊縫進行5%～20%的抽檢。眾所周知，射線探傷對環保的要求較高，對操作人員有傷害，且因其安全操作工藝致使施工進度在很大程度上受到制約，施工成本相對較高，在中國，近10 a內已基本上由TOFD取代，為此，在項目策劃階段項目部就申請將射線探傷改為TOFD，并列舉了在工程中的技術運用和其他水電站施工積累的經驗，并將工程師和業主邀請到國內正在用TOFD檢測的項目進行現場觀摩，重點講解TOFD的優點和射線探傷的不足，經過多次探討、比對和齊全的資料舉證后，最終，業主同意采用TOFD代替X射線對焊縫進行抽檢。不言而喻，此次檢測設備的替換在保證質量的前提下會節約成本、增加收益，而且工期會縮短、進度目標能確保。

4 采用石英砂替代鋼砂

塔貝拉項目壓力鋼管施工方案確定在制作現場做防腐，在慣用的防腐磨料方面，很多國際項目均采用鋼砂而較少采用石英砂，這主要是從環保角度出發。在巴基斯坦國，如果選用鋼砂，則需要從中國或第三國進口，采購費、關稅及海陸運費用成本高昂，而在巴基斯坦本國，石英砂則比較普遍，當然，費用方面也便宜很多。根據具體情況，項目部多次去函件以及面對面地和工程師溝通交流，最終，監理工程師要求通過樣品試驗證明：既要保證施工對環境無大的影響，又要保證打砂后的粗糙度滿足要求。在密閉的防腐車間內嚴格控制工藝，用石英砂做出了防腐試驗板，測定了其表面粗糙度、油漆的抗拉拔能力以及電火花等各項試驗后，監理工程師信心滿滿地同意我們采用石英砂代替慣例的鋼砂用于防腐噴砂磨料，既對環境無大的影響、保證了質量，還節省了成本。

5 超大型岔管群水壓試驗

該項目岔管群由4個超大型岔管組成，主管直徑為13 m，2條泄洪支管直徑為8 m，3條發電支管直徑為7.5 m。由于是超大型岔管群施工，在世界范圍內均是第一次，沒有任何經驗可以借鑒，只能夠依靠自身不斷發現問題、分析問題和解決問題，最終完成了13 m直徑的岔管群1.5倍運行壓力值的水壓試驗。

5.1 合并為超大型岔管群進行水壓試驗

根據岔管分布的密集程度，4個超大型岔管布置在長度只有82 m的管線上，鋼管中心線均在同一高程上(高程460.462 m)。合同明確要求需要進行運行壓力165 m水頭的1.5倍(即2.475 MPa)水壓試驗，如果每個岔管各進行一次水壓試驗，占用項目的關鍵工期特別長，而且在成本耗費上也是巨大的。經過前期策劃并報工程師批準，將4個岔管合并為一體進行水壓試驗，同時檢驗4個岔管的設計、施工質量，上下游共采用6個鋼悶頭進行封閉，這樣實施，即有利于成本的節約，又保障了進度。

5.2 由漸變管將主管13 m直徑變為8 m直徑進行封堵

岔管群上游主管直徑為13 m，如果采用13 m直徑的悶頭，在同樣的壓強下其受力為8 m直徑悶頭的2.6倍，對于悶頭強度要求是非常難以實現的。針對這種情況，技術人員經過詳細計算和論證，采用長度為5 m的錐管將13 m直徑漸變為8 m的直徑，在錐管和13 m直徑鋼管連接處設計了一道加強環板，加強環板的材質為610 MPa高強鋼，厚度δ=60 mm，高度為1 m，內外各500 mm，主要用于抵抗拐角焊縫的抗撕裂能力，從而將大悶頭變成了小悶頭，與其余悶頭施工方法一致。

5.3 岔管群水壓試驗的支撐采用永久混凝土支墩

超大型岔管的水壓試驗需要保證岔管的自由度，通過計算得知，水壓試驗時，岔管連帶水體的重量達到15 000 t，對于其底部支撐則是一個巨大的挑戰。如果采用常規的鋼結構支撐，則在穩定性和強度方面面臨嚴峻的考驗，安全風險極大；如果采用臨時混凝土支墩進行支撐，后期混凝土拆除所占用的工期和耗費的費用也是無法面對的一個數字，經過混凝土強度計算、多次的商討和工程師的溝通，最終決定采用永久混凝土澆筑成圓弧形支墩，支墩的軸向厚度和管節的長度相匹配且避開了加勁環包裹在混凝土中，將鋼管的環縫暴露在混凝土之外，支墩總數達到34個，最小支墩厚度為500 mm，弦長為6 m，平均分布在整個岔管群底部，這樣實施既保證了岔管水壓試驗中的安全支撐、整體處于自由狀態、方便水壓試驗中的焊縫檢測，又能夠在水壓試驗結束后立即進行后續混凝土的施工。

5.4 岔管群水壓試驗采用聲發射監控及應力應變檢測

岔管群在水壓試驗過程中，為監測焊縫受力情況，確保其安全可控，采用聲發射監控以及應力應變監測。對于如此龐然大物進行水壓試驗，對其結構的薄弱環節和關鍵部位均需進行監控。由于岔管現場焊接量大，為監控焊縫的受力情況以及岔管水壓試驗中膨脹位移的數據，聲發射監控以及應力應變檢測均能夠做到實時動態的數據采擷，經過數據的收集和整理，可以分析出岔管水壓試驗中各個受力點的受力情況以及對薄弱部位的重點監控，以免出現大的質量安全事故。

6 結 語

塔貝拉水電站壓力鋼管已成功實施完畢，筆者重點列舉了幾項項目設計實施過程中的優化事項，既取得了良好的經濟效益，又取得了一定的社會效益，同時為下一個相類似項目的實施推出了強有力的施工業績和經驗依據。