洪屏抽水蓄能电站内加强月牙肋钢岔管原型水压试验研究

姚敏杰，高雅芬

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)



洪屏抽水蓄能电站内加强月牙肋钢岔管原型水压试验研究

姚敏杰，高雅芬

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州310014)

洪屏抽水蓄能电站岔管HD值高，且为国内首批采用国产800MPa级高强钢的钢岔管。从工程安全角度考虑，确定进行水压试验。通过水压试验检验钢岔管的制作水平，钝化尖端应力，削减焊后残余应力，增加结构的安全度。水压试验表明，其最终测试结果与三维有限元计算基本吻合，为后续钢岔管的设计提供了重要的依据。

水工结构；原型水压试验；内加强月牙肋岔管；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

洪屏抽水蓄能电站位于江西省靖安县境内，紧靠江西省用电中心，与南昌、九江、武汉直线距离分别为65、100 km和190 km。鄂赣联网的500 kV输电线路从洪屏电站附近通过。电站为周调节纯抽水蓄能电站，一期装机容量1 200 MW。电站建成后，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务。枢纽建筑主要包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群、地面开关站和地面中控楼等。

因钢岔管水压试验需占用工程工期，且费用不菲，笔者曾研究论证过钢岔管取消水压试验的可能性。但鉴于本工程钢岔管HD值高、国内首批采用国产800 MPa级高强钢(上海宝钢，牌号为B780CF)，且生产制造厂家首次制作钢岔管，从工程安全角度考虑，最终确定应作水压试验，检验钢岔管的安全可靠度。

2014年11月，洪屏抽水蓄能电站进行了原型钢岔管水压试验。中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司编制了钢岔管水压试验技术要求及工况设计，中国水利水电第六工程局有限公司、电力工业金属结构设备检测中心负责加载系统的安装、打压及各项测试工作。

2 水压试验工况设计

洪屏电站钢岔管采用对称Y型内加强月牙型肋钢岔管，设计内水压力为8.34 MPa，HD值为3 740 m·m。钢岔管分岔角为70°，主管直径D=4.40 m，支管直径d=3.0 m，公切球半径2 511.2 mm，为主管管径的1.141倍，管壳厚54 mm，肋板厚120 mm。

根据规范规定，钢岔管各点的计算应力应满足以下条件：

式中，σ为钢岔管结构构件的作用效应计算值；σR为钢岔管结构构件的抗力限值；σθ为轴向正应力，以拉为正；σx为环向正应力，以拉为正；τθx为剪应力，以上单位均为N/mm2。

由于钢岔管各管节母线折角处容易产生局部应力集中现象，此部位是局部膜应力的控制点；而肋板是小偏心受拉构件，最大截面内侧一般为应力最大值部位，故将这些控制点作为应力结果整理的关键点。通过三维有限元计算，以内水压力1.0 MPa为例，钢岔管整体和月牙肋最大主应力分布如图1、2所示，管壁和月牙肋最大应力值分别为61.03 MPa和56.34 MPa。

图1 钢岔管整体最大主应力分布示意

图2 月牙肋最大主应力分布示意

因在材料抗力限值内，钢岔管承受的内水压力与其结构应力基本呈线性关系，因此水压试验最大压力按规范的抗力限值推算，初步确定为6.09 MPa。实际水压试验过程中，最大压力还需结合Q/HYDROCHINA008—2011 《地下埋藏式月牙肋岔管设计导则》规定的岔管应力监测成果不超过水压试验工况材料的抗力限值综合考虑。

3 原型水压试验

水压试验的目的为：①通过水压试验检验设计方案的合理性、施工质量的可靠性、结构安全性和致密性；②根据水压试验测试岔管应力分布和规律，与有限元分析计算成果相互验证；③根据试验所要求的采用应变片的观测成果换算的应力分布情况与原型观测应力计的测试成果作对比分析，相互验证；④通过水压试验前后焊接残余应力测试对比，评价水压试验消除焊接残余应力的效果；⑤通过水压试验消除钢岔管的尖端应力以及岔管施工附加变形，保证岔管安全运行。

3.1 试验条件及压力循环

(1)试验状态。洪屏引水钢岔管采用两岔管联合水压试验方式。试验时，两个岔管的主管对接，闷头与支管对接，形成密闭容器。整个岔管水平自由卧放于数个鞍形钢支架上，岔管底点离地600 mm，钢支架底部固定在基础混凝土中，有足够的刚性。钢岔管本体与钢支架间采用聚四氟乙烯板铺垫，以保证水压时钢岔管有自由位移。

(2)环境条件。规范要求环境温度不低于10 ℃，水温不低于5 ℃。试验过程实测水温13 ℃，环境温度在12～15 ℃。

(3) 压力循环。按有限元计算分析成果及设计规范要求，水压试验设计压力为6.09 MPa，压力等级为2.0、4.0、5.84、6.09 MPa，加压速度以不大于0.05 MPa/min，每级稳压10 min，达到设计压力稳压30 min。

3.2 试验结果分析

(1)体积变形分析。水压试验过程中，在各个压力等级下，进水量与压力等级呈良好的线性关系。

(2)变形分析。水压试验过程中，在各个压力等级下，顶部测试的位移与压力等级呈良好的线性关系。其余测试部位位移与压力等级线性关系相对不一，可能受岔管外部支撑约束的影响。在最大压力等级6.09 MPa 时，岔管的最大位移位于月牙肋腰线位置，最大位移量为3.099 mm，与三维有限元计算值接近。

(3)结构应力数据分析。从水压试验应力测试数据看，各测点的应力值和试验压力值呈较好的线性关系，说明测量系统(包括应变片处理、仪器等)稳定可靠，系统非线性误差得到了很好地控制；也说明在6.09 MPa 压力循环下，各测点处于线弹性状态。对实测值与计算值对比分析可得，各压力等级下，在岔管内部，底部测点应力最大，当试验压力为6.09 MPa 时，其实测值达到380 MPa；在岔管外部，仍是底部测点应力最大，当试验压力为6.09 MPa 时，其实测值达到394 MPa；两值基本与该部位的抗力限值386 MPa吻合，与计算相差在2%以内。各压力等级下，月牙肋应力最大值位于内部月牙肋腰线位置测点，当试验压力为6.09 MPa 时，其实测值达到320 MPa，小于该部位的抗力限值343 MPa，安全裕度较大，与计算相差在7%以内。水压试验6.09 MPa时实测应力与计算应力对比曲线见图3。从图3可以看出：水压试验各控制点应力实测值与三维有限元计算值总体上相吻合，尤其位于钝角区的腰线内、外壁应力分布形状及数值非常接近；相贯线CO和月牙肋部位略有差别，主要是该部位的应力受结构制作因素影响较大，与水压试验支撑条件有关，如何更好地设置钢岔管水压试验支撑，以及处理好支撑约束问题的模拟有待于进一步研究和验证。

图3 水压试验6.09 MPa时实测应力与计算应力对比曲线

(4)残余应力测试结果分析。从测试数据看，通过水压试验，岔管的焊接残余应力有下降的趋势，部分测点下降明显。水压试验前岔管内壁焊接残余应力最大值为809 MPa，水压试验后该测点应力值为614 MPa，下降24%；水压试验前岔管外壁焊接残余应力最大值为743 MPa，水压试验后该测点应力值为664 MPa，下降10%。部分测点水压试验后，残余应力值下降不明显，可能与水压试验压力等级较低有关，未达到残余应力释放的压力条件。

4 结 论

(1)水压试验过程中，岔管本体未发生渗漏和焊缝开裂情况，说明岔管的制作质量可靠，这对国产800 MPa级钢材在水电站上的应用具有突破性的意义。

(2)水压试验过程中，岔管的位移变形较小，说明岔管的刚性较好；岔管在最大试验压力6.09 MPa下，结构应力值与材料的抗力限值相近，安全裕度较大；焊接残余应力通过水压试验也得到一定程度的释放。

(3)水压试验工况的有限元计算与实测结果，在岔管腰部及以上管壁应力值基本相符，且计算的最大值与实测的最大值基本接近，因支座的约束对管壳局部区域的应力仍存在影响，最大测值不完全在同一测点上。

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[2]王志国. 水电站埋藏式内加强月牙肋岔管技术研究与实践[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2011．

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(责任编辑 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，江苏盐城人，工程师，主要从事水工设计工作．

TV732.43

A

0559- 9342(2016)06- 0092- 03