山口水电站工程埋藏式钢岔管管材比较分析

李 捷 牛文娟 冉建西

（新疆水利水电勘测设计研究院 乌鲁木齐 830000）

在水电站工程中，压力钢管材质选择,应具有良好的可焊性、低温稳定性、塑性和抗冲击韧性。发电引水系统中压力钢管因用量大、价格高，在投资上占有比重较大，选择经济合理的压力钢管材料较为重要。随着经济技术的不断发展，目前市场上可选用的钢材品种较多，而且质量都能得到保证。因此，在钢岔管管材的选取时，需要充分考虑到多种因素的影响，经过综合比较确定性价比高的管材。

1 工程概况

1.1 基本资料

山口水电站工程由混凝土拱坝、泄水建筑物、发电引水洞、调压井、高压管道和水电站厂房等建筑物组成。水库正常蓄水位646m，死水位620m，设计洪水位643.73m，校核洪水位647.21m，水库总库容2.22亿m3。电站采用“一洞四机”的布置方式，装机容量220MW，装机4台（2×80MW+2×30MW），多年平均发电量6.43亿kW·h。

发电引水系统由引水渠、进口段、洞身段、高压管道、调压井、岔管和支管等组成。设计引水流量365.62m3/s，最大水头79.4m，系统总长1115m。发电引水洞末端压力钢管，通过三次分岔，将一根主管分为4根支管接入主厂房内。钢岔管均为地下埋管，厂房附近的支管为明管。1～3号岔管型式采用“卜”形月牙肋岔管；岔管前接主管内径9.0m；支管为两大两小共4根，其中，1号、2号支管内径3.2m，3号、4号支管内径5.2m（见下图）。

岔管平面结构图

1.2 计算参数

钢岔管上部为5～10m的冲洪积碎块石土层，结构松散，下伏基岩埋深9～40m，岩性为厚层-巨厚层状灰白色二长片麻岩，围岩分类为Ⅲ类，局部稳定性差。围岩弹性模量Ed=46.2GPa，单位弹性抗力K0=35～40MPa/cm，膨胀系数 αd=1.0×10-6/℃，泊松比 μd=0.25。

净水头（考虑调压井最高涌浪水位）92m，设计内水压力（加水锤压力）118.4m，水压试验压力130.3m。

2 岔管管材比较分析

2.1 管材选择

管材应具有良好的力学性能和焊接性能。针对该工程设计水头不高、管径较大的特点，可选用强度大、刚度高的高强钢及冲击韧性好的低合金钢。水电站钢管运行不会低于0℃，因此C级钢已足够。对岔管的基本锥和过渡锥均采用较高强度的钢材，而连接岔管的主管及支管采用较低一级的钢材。该工程分别选择了高强钢600MPa、800MPa，低合金钢 Q345C、Q390C 进行比较（见表1），对岔管管材初拟方案如下：

表1 钢材力学性能参数

方案一：岔管基本锥采用800MPa钢材，岔管过渡锥及岔管与岔管连接主管段采用600MPa钢材。

方案二：岔管基本锥采用Q390C钢材，岔管过渡锥及岔管与岔管连接主管段采用Q345C钢材。

2.2 从工程量角度比较

岔管体形设计，依据规范推荐的结构分析法，以及类比已建工程，初步拟定岔管结构尺寸。再由有限元计算进一步进行结构优化，调整体形参数，使各管节应力分布均匀，最终确定不同管材下的最小壁厚及肋板厚度。

该工程埋藏式岔管按明岔管设计，经有限元计算的壁厚及肋板厚度，满足明岔管应力控制准则。根据结构优化方案拟定的岔管体形及壁厚，计算的应力均小于应力值范围。3号岔管的主管管径相对于1号和2号岔管较小，但由于其两个支管管径大，在分岔角不变的情况下，所需管壁厚度并不随主管管径缩小而可以减薄，维持2号和3号岔管相同的管壁厚度也有利于订货采购。岔管厚度计算结果见表2。

一般钢管壁厚超过32～36mm，焊接时要进行热处理，焊接后还需进行消除应力热处理，工艺复杂。通常为避免焊接前后热处理工序，需要通过提高钢板材质的强度等级来减少钢板厚度。

表2 管壁和肋板厚度 单位：mm

从表2中钢岔管壁厚计算值可知，虽然钢岔管的管径大，但压力水头不高。岔管采用Q390C钢材的有限元结构优化计算的壁厚虽大于800MPa的钢岔管，但两方案计算厚度均未超过规范规定范围，满足设计要求,无需提高钢材等级。

由不同管材的岔管壁厚可初步计算工程所需的钢材量及投资费用，4种钢材的价格比较情况见表3。

表3 钢材的工程量及投资比较情况

钢材的直接经济费用是选择管材的重要指标之一。由于低厚合金钢Q345C、Q390C在市场上相当普遍，国内各大中型钢厂都能生产，所以两种钢材价格比较低且相当。岔管采用Q390C（相对应的岔管过渡段采用Q345C）管材，用量比较多，但价格较低。对于600MPa、800MPa的高强钢，目前只有少数大型钢厂才能生产，因强度高，价格偏高。总体看来，Q390C钢材与800MPa（相对应的岔管过渡段采用600MPa）的管材总价数量水平相当，相差不多。

2.3 从焊接质量控制角度比较

钢材在焊接前要进行焊接工艺评定，焊接线能量对高强钢的焊接是一个非常重要的参数。600MPa、800MPa高强度低合金调质钢的焊接质量保证，除加强无损探伤检验工作外，更为重要的是必须对焊接线能量和工艺参数进行严格控制和管理，达到规范所要求的机械性能指标。

钢材焊接后的消应处理方法大致可分为两大类。第一类：使内应力大量消除，如热时效，一般可以消除残余应力50%～80%。第二类，提高构件的松弛刚度，如自然时效和加载处理等。振动时效是以上两种时效方法的综合的结果。Q390C可以进行局部热处理消应或振动消应。600MPa、800MPa钢不允许热处理消应，可以进行振动消应。800MPa高强钢在已建的喀腊塑克水利枢纽工程中钢岔管已经采用，钢材焊接后振动消应的处理方法应用非常成功。

可以看出，600MPa、800MPa钢含金元素多，焊接技术要求高，消应处理方法控制严格。但近几年，随着国内高水头、大管径的工程不断增加，600MPa、800MPa钢在水利工程中已得到广泛应用，已经有成功的工程实践经验可以借鉴。如西龙池抽水蓄能电站埋藏式钢岔管，管材800MPa钢，壁厚56mm；江苏宜兴抽水蓄能电站埋藏式钢岔管，管材600MPa钢，壁厚60mm。因此，岔管采用高强钢的焊接工艺已经成熟，焊接质量控制已不成问题。

2.4 从安装施工角度比较

该工程岔管尺寸大，整体在洞外制作、运输进洞安装所需运输洞开挖尺寸过大，工程实施有困难。而在洞内组装岔管，相比Q390C低合金钢，600MPa、800MPa的高强钢质量较难保证。若采用800MPa高强钢，势必使岔管的壁厚降低，如壁厚太薄，钢材在吊装、运输过程中，有可能产生较大变形。主管管径为9m，在水电工程中属于大管径钢管，若迫使钢岔管的管径与壁厚要相匹配，满足一定的刚度要求，则钢岔管管材的选用中800MPa强度较高，可以相应降低管材强度，从而增加壁厚。

3 结论

由于本工程埋藏式岔管最大HD值为1065m2，与现有国内已建、在建的大型钢岔管相比，HD值偏小，岔管强度要求不高，不是高强钢的适用范围。虽然岔管水头不高，但管径相对较大，出于工程安全考虑，钢岔管的管材选取强度也不应太低。方案一的800Mpa高强钢，总价略高，因管材强度高，计算岔管壁厚较小，洞内安装施工较为困难。方案二的Q390C为低合金钢，强度较低，价格便宜，对于大管径岔管，管材刚度较小。综合考虑各种因素的影响，为减少工程费用并降低施工难度和质量风险，将钢岔管管材调整为600MPa，进一步进行岔管结构优化。

[1]马善定，伍鹤皋，秦继章.水电站压力钢管.武汉：湖北科学技术出版社，2002.

[2]姜长飞，钟秉章.江苏宜兴抽水蓄能电站埋藏式钢岔管设计//第六届全国水电站压力管道学术论文集.北京：中国水利水电出版社，2006.

[3]侯靖.抽水蓄能电站压力钢管设计探讨//第六届全国水电站压力管道学术论文集.北京：中国水利水电出版社，2006.