大型風洞設備液壓試驗過程關鍵技術研究

中圖分類號 TQ051.3 文獻標志碼 B 文章編號0254-6094（2025）03-0509-06

風洞主洞體設備一般為鋼結構形式的長軸線、變截面、多開孔、高壓力、高精度的非標承壓設備。對主洞體進行整體液壓試驗，可以對風洞設計、制造和安裝質量進行綜合性檢查，從而檢驗洞體剛度和基礎沉降情況，有利于消除焊接應力。風洞一般由若干部段組成，其中穩定段為雙層結構，其夾層分布較多縱向、環向肋板，液壓試驗時內部空氣不易排出，因此極易造成安全隱患；收縮段出口為非標大型法蘭，密封困難，是制約液壓試驗成敗的重要因素。筆者根據某風洞建造的實際經驗，對大型風洞設備液壓試驗過程中一些關鍵技術問題和注意事項進行分析研究，以保證液壓試驗技術方案安全可行。

1大型風洞設備簡介

1.1 設計參數

以某大型風洞設備為研究對象，其主回路軸線的尺寸為 96.5m×19m （長 × 寬），承壓殼體最大板厚 50mm ，最大直徑 5.8m ，部件的最大板厚為120mm ，設計壓力 1.4MPa ，總質量 2205t 。

1.2 基本結構

風洞為全鋼結構非標壓力容器回流式臥式結構（圖1），一般包括穩定段、收縮段、引射器、擴散段、拐角段、回流段、排氣消聲段及主進氣管路等。其中穩定段為雙層殼體結構，外殼承壓，內殼導流。外殼分為入口段承壓殼體、錐段承壓殼體和直筒段承壓殼體。雙層殼體間采用多組縱向、環向肋板連接，外承壓殼體設有內外人孔。收縮段為雙層焊接結構，外殼承壓由直殼體和圓變方結構組成，內殼為三元收縮型面，內外殼體間分布多組縱向、環向肋板構成型面框架結構。

1.3 制造工藝

風洞作為一種測試物體在風中運動特性的試驗設備，其制造工藝集成了設備制造、電儀、測控、液壓等多個專業，其承壓洞體的制造質量是保障風洞質量安全的關鍵。根據設計規劃，首先對風洞進行部段劃分，依據部段的結構特點進行制造工藝的設計。針對穩定段的雙層殼體即外殼承壓內殼成型，采用三維激光掃描工藝保證雙層殼體的同軸度偏差，夾層支撐肋板采用增量方式進行測量精磨，從而保證內殼體的型面精度。針對收縮段雙層殼體的三維收縮曲面（圖2），對內外層殼體采用定制模具分塊分單元進行壓制，采用三維激光跟蹤儀進行掃描并與理論模型進行比對。各部段單元件組焊完成后經過無損檢測合格后進行總體組裝或機械加工，各部段總裝為整體洞體后進行液壓試驗以進一步驗證制造質量。

2大型風洞液壓試驗基本要求

總體要求如下：

a.液壓試驗前風洞承壓殼體、承壓管道以及與其焊接的部件制造、安裝完畢進行水壓試驗后，原則上不允許再進行承壓殼體及管道上的大規模施焊；b.洞體所有熱處理和無損檢測要求的部位檢測已完成，且結果均合格；c.合攏焊縫兩側 50mm 范圍內暫時不做防腐，便于水壓過程中對合攏縫進行檢查；d.完成風洞承壓殼體應力應變有限元分析計算，確定應力集中點和薄弱位置；e.完成液壓試驗技術方案的審批和安全技術交底；f.明確試驗組織機構各參與人員職責并完成必要技能培訓考核；g.完成各封堵口部位的堵板結構設計計算，且計算結果滿足試驗要求。

試驗需具備的條件如下：a.拆除所有雙向、單向滑動支座上的定位連接板，保證滑動支座處于滑動狀態，在試驗過程中能夠自由滑動；b.完成臨時封堵口蓋部位的堵板安裝、密封，檢查各密封點密封情況保證密封良好；c.設置沉降觀測點、應力測試點和位移觀測點，壓力表、測量器具已檢定合格且在有效期內；d.落實水源，保證水質、水溫滿足液壓試驗要求；e.試驗設備完成調試并確保完好，進水口、溢水口、水位觀測管連接可靠，排氣口已打開。合格指標如下：a.承壓洞體殼體和焊縫無滲漏；b.承壓洞體殼體無可見變形；c.承壓洞體殼體在試驗過程中無異常響聲；d.承壓殼體內環向薄膜應力值應不超過試驗溫度下材料屈服點（殼體材質為Q345R）的 90% 與圓筒焊接接頭系數的乘積即 280MPa ，現場監測預警值可設定為 220MPa e.達到試驗壓力 1.75MPa 保持規定時間后無泄漏。

3大型風洞液壓關鍵技術

3.1 堵板制造

3.1.1 堵板概況

水壓堵板與矩形法蘭內圈連接，采用雙排螺栓連接，外圈96個 M30 螺栓，內圈92個M36螺栓，堵板材料是厚為 120mm 的Q345B，加強筋采用50mm （厚） ×300mm （高）的均布加筋組合，同時為減小螺栓載荷，在水壓堵板內表面四周均布24個L形卡箍（圖3），水壓堵板結構型式如圖4所示。

3.1.2 堵板密封及加固工藝

密封用堵板為薄板加肋結構，采用外形尺寸為 2700mm×7100mm×120mm 的平板作為法蘭面，焊接橫向和縱向肋板形成整體框架，提高堵板整體剛性。在平板密封端面加工 3mm 高的臺階作為密封面。平板上設置兩圈 ?36mm 和 ?42mm 的孔作為螺栓連接孔，連接孔位置與收縮段出口內法蘭上連接孔保持一致。其中，長軸中心線彎曲應力較大處應進行筋板加密。為保證堵板密封性能，堵板密封墊片壓緊部位進行機加工保留 4～6mm 凸臺，與法蘭密封凹槽形成凹凸面配合，可壓緊墊片提高堵板密封性能，如圖5所示。

為了實現堵板內表面四周均布的24個L形加強板的安裝、保護密封條，加強板分為上、下兩部分，下半部分在堵板制作時按照設計位置完成焊接并同堵板一起進行機加。堵板安裝完成且通過低氣壓檢漏合格后，人員通過側邊人孔通道進人洞體內部，將加強板上半部分與下半部分進行對接焊，并將上半部分與收縮段法蘭背面的連接采用楔塊進行預緊，以便于在發生泄漏時進行螺栓緊固，楔塊安裝時應從上往下插入以防止脫落。

內圈螺釘受力較大，外圈螺釘受力較小，因此在堵板受壓發生彎曲后，內圈螺釘首先受力，此時螺釘孔螺紋深度應滿足連接要求，螺釘旋入長度不小于 1.5D（D 為螺釘直徑）。堵板連接螺釘等級為8.8級，抗拉強度約 800MPa ，屈服強度約640MPa ，法蘭基體材料為Q345R鋼板，抗拉強度480MPa ，屈服強度 285MPa ，兩者強度值相差較大，基體材料強度偏弱，因此在螺紋應力較大時，基體上沉孔內螺紋易發生破壞，為保護基體上內螺紋，在法蘭基體上增加92個M64螺套。

3.2內腔排氣及積液處理方法

穩定段為整個洞體水壓試驗的最高點且內部環、縱向筋板較多，水壓試驗時容易形成封閉的氣囊區間，造成升壓速度緩慢同時也增加試驗的危險性。此外水壓試驗后穩定段又處于試驗系統的最低位置，環、縱向筋板形成的區間造成積液不能完全排出。為解決以上問題，在制作、安裝穩定段環向筋板最高、最低處時預先制作 20mm 孔，保證各空格區間連通便于氣體、積液排出。另外，針對個別密閉區間高于排氣口的位置，需提前設置排氣管將封閉空間的氣體引出。

3.3 沉降觀測點布置

穩定段、收縮段因其負荷最大且為液壓試驗的最重要部段，因此作為監測的重點，選擇穩定段、收縮段基礎的下支座焊接觀測釘。在注水前、注水至1/4、注水至1/2、注水至3/4、滿水、加壓至設計壓力、加壓至試驗壓力、降壓至設計壓力、放水后 24h 分別進行沉降觀測。每個注水階段需靜止15min 以上方可進行觀測記錄，為了便于洞體兩側的觀測將基準點提前移至不易產生沉降的位置，并用紅色油漆做出標記，在兩側各架設一臺水準儀（DS05）即可測量所有測量點。

3.4 位移監測

選擇收縮段出口法蘭位置、收縮段出口法蘭堵板中心和4個拐角共6處作為位移變形監控點。各監測點采用百分表，分別在注水前、注水至1/4、注水至1/2、注水至3/4、滿水、每個加壓階梯、降壓至設計壓力、降壓至 0MPa 的每個區間進行觀測、記錄。最大位移允許值由設計單位計算確定并與實測值進行對比。

3.5 應力監測

試驗過程中為確保設備安全，檢驗風洞洞體的制作、安裝質量，驗證風洞結構設計與分析，對風洞承壓殼體重點位置的應力需進行監測。試驗前對承壓殼體應力分析的基礎上確定殼體的危險區域以及制作、安裝過程中可能存在質量薄弱的部位設置監測點，一般為截面結構突變位置、結構復雜的穩定段和收縮段位置、探傷結果差的承壓焊縫位置及最終的合攏縫位置等，最大充許應力值由設計單位計算確定并提前給出梯度值，現場監測應力值與每一梯度的實測值進行對比。

3.6聲發射監測

聲發射監測技術是一種無損檢測的新技術，洞體在加壓過程中受到內壓作用在質量的薄弱位置應力集中處會優先產生塑性變形或者在缺陷擴展處有聲發射的產生，從而進行能量釋放。使用聲發射監聽設備可以更加準確地獲得其內部動態缺陷對洞體結構完整性的影響。在升壓、保壓、降壓聲發射監測過程中嚴禁敲擊殼體，避免其他物體與殼體碰撞，暫停周圍無關的施工活動保持現場安靜。

3.7 升降壓試驗

穩定段、收縮段內部縱、環向筋板較多，為防止空氣排出不徹底，在正式加壓前先進行低氣壓排氣。啟動試壓泵打開加壓閥門對試驗系統進行整體分階段加壓，加壓速度小于 0.05MPa/min ，當加壓至 0.20MPa 時打開穩定段排氣口閥門進行帶壓排氣，壓力降至零時關閉閥門，多次反復進行直至穩定水柱噴出。

再次啟動試壓泵進行加壓，在加壓過程中需按照以下程序及梯度進行逐步升壓：

a. 0.00～1.12MPa （加壓至設計壓力的 80% ）壓力區間內以 0.28MPa 為加壓梯度逐步升壓；b. 1.12～1.40MPa （設計壓力的 80%～100% 壓力區間內以 0.14MPa 為加壓梯度逐步升壓；C. 1.40～1.75MPa （設計壓力到試驗壓力）壓力區間內以 0.07MPa 為加壓梯度逐步升壓。

加壓過程中，每一壓力梯度至少保持 10min ，檢查洞體承壓殼體開孔法蘭、焊縫和法蘭堵板有無泄漏現象，記錄各監測數據。

降壓按照升壓相反的程序逐步降壓，降壓至設計壓力時保壓 30min 檢查各監測點、承壓焊縫和法蘭口有無滲漏情況

4試驗結果

在液壓試驗過程中通過百分表對收縮段堵板變形量進行監測，得到堵門與法蘭密封面間變形量為 0.2mm ，滿足密封變形要求，堵板無異常較大變形和泄漏情況。

針對夾層結構易產生積液和不便排氣的問題，通過設置貫通孔和排氣管措施，在加壓初期通過帶壓排氣的措施進一步降低洞體內部空氣含量，保證試驗的安全性，在試驗過程中升壓速度需滿足試驗要求。

在洞體穩定段、收縮段的支座位置共設置8處沉降觀測點，分別在注水和加壓的各個階段進行觀測，結果列于表1。可以看出，各測點沉降值及平均整體沉降值均符合試驗要求，基礎沉降值不大于 5mm ，滿足設計要求。

為了保證試驗的安全性和設備自身的安全性，通過在洞體、法蘭口堵板和設計、制作的薄弱環節位置各監測點設置百分表，監測注水和試驗階段的位移數據將這些數據匯總于表2，通過對比發現位移監測值與計算值基本一致，符合設計要求。

為了保證設備的安全，應力預警值設定為220MPa ，通過各監測點數據采集結果表明（表3）

應力監測值與計算值基本一致，符合設計要求且監測值均不大于材料屈服點預警值。

通過對風洞設備結構復雜的位置進行動態無損檢測即聲發射技術應用，監測材料在液壓作用下受力或裂紋擴展時發出瞬態彈性波的現象，在整個液壓試驗加壓和泄壓過程中數據采集結果顯示無應力波產生。

在試驗加壓過程中通過采用多級加壓的方式逐步達到試驗壓力，對各密封口、承壓縫處進行監測，結果均顯示無滲漏、無異常響聲，且在規定保壓時間內無壓力下降，滿足液壓試驗要求，試驗合格。

5結束語

通過對大型風洞液壓試驗過程中需要注意的關鍵性問題進行闡述，有效地解決了施工中遇到的難題。尤其是對大口徑非標堵板的結構設計，針對其薄弱環節提出了設置加強板和增加螺套的方法，有效解決了密封問題。針對洞體內部復雜的結構形式導致不易排氣和排液的問題，不僅從制作工藝方面進行解決，同時針對自行排氣困難的部位提出了增設導管和在升壓過程中連續排氣的方法進行解決。在試驗過程中為了保證設備的結構安全及試驗安全，通過應力分析設定安全等級梯度，采用應力監測和聲發射監測雙重技術手段，從而確保液壓試驗成功實施。

（收稿日期：2024-06-06，修回日期：2025-05-07）