水电水利工程压力钢管灌浆孔应力集中敏感性因素研究

2021-06-11赵路，刘园，谢诣

水力发电 2021年3期

赵路，刘园，谢诣

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014)

0 引言

对于水电水利工程地下埋藏式压力钢管，为减小围岩、混凝土和钢管之间的缝隙值，提高围岩承载力，需对钢管进行回填灌浆、接触灌浆和固结灌浆；为保障灌浆质量，非高强钢通常采用钢管管壁开孔灌浆，灌浆后再将灌浆孔严密封堵。由于灌浆孔封堵焊系封闭连续焊缝，焊接时约束度比较大，灌浆孔焊接裂纹是地下埋管施工中比较常见的焊接缺陷[1]。此外，灌浆孔内不易清除的浮锈、泥浆、油漆、油污以及围岩渗水的存在，都会对焊接接头内的扩散氢含量增加，从而为产生氢致裂纹埋下隐患，工程运行一段时间后出现钢管漏水现象。

灌浆孔开孔后需要补强，在管外焊接补强板，堵头大多采用熔化焊封堵，堵头坡口深度过小，则孔口应力集中明显，孔边应力可能会超过钢管的抗力限值，堵头坡口深度过大，则焊接时收缩应力增大易产生裂纹，因此有必要对灌浆孔堵头的补强板厚度、坡口深度进行研究。

1 灌浆孔补强封堵设计

地下埋管开孔灌浆，在钢衬上预先开有直径50～100 mm的孔口，穿过这些孔口，垂直于管壳钻孔，并灌注水泥砂浆，灌浆工作完成后，孔口用不漏水的堵头封堵，常见的几种堵头设计形式如图1所示。

美国土木工程师协会推荐采用图1a的形式[3]，将带有螺纹的补强板焊在钢管外侧，采用5.08 cm直径的直螺栓钢塞进行封堵，中间设“O”形密封止水圈，钢衬内侧灌浆孔位置焊有韧性、抗锈蚀、抗冲刷的不锈钢板(0.32 cm厚，旨在最大限度减小凸入水道)。

前苏联和中国广泛采用的是螺纹堵头，常见形式如图1c[4]所示，与美国土木工程师协会推荐形式最大的区别在于堵头塞内侧开高度为t的坡口，直接与压力钢管焊接，代替不锈钢板。为保护焊接区，不使水泥砂浆和地下水进入，前苏联设计了一套专门的施工装置[5](如图1b所示)，在钢管上增加一个套管，灌浆之前套管外端有盖板保护，防止混凝土进入套管内，灌浆时用钻机将盖板凿穿，灌浆结束后，在套管中放入栓塞，栓塞可阻止地下水深入焊接区域，最后将塞子与钢管全部厚度焊透。采用薄的塞子，全厚度焊接能保证最大的抗裂稳定性。

图1 灌浆孔封堵示意

美国土木工程师协会推荐的堵头设计形式在内压作用下，不锈钢板受压，起到止水、封堵作用；在外压作用下，螺纹和密封止水圈发挥作用，若外水压力较大，止水圈可靠性降低，则外水压力可能会直接作用在不锈钢板上，0.32 cm厚钢板的角焊缝强度需要复核，避免不锈钢板脱落。前苏联设计的施工装置，采用薄的塞子，与钢管全部焊透，以保证最大的抗裂稳定性，与中国常用的堵头设计方案相近。

我国现行设计规范中要求全部灌浆孔均应严密封堵[6-7]，但对于堵头设计原则和型式没有明确规定。制作安装及验收规范中建议坡口深度宜为7～8 mm[8]，系考虑用直径为φ3.2～φ4 mm的焊条焊 2～3层，以减小焊接时的收缩应力产生裂纹。本文重点对我国常用设计方案的补强板厚度及坡口深度H进行研究。

2 堵头坡口深度研究

2.1 工程实例

某水电站压力钢管为2级建筑物，地下埋管采用联合承载设计，钢管半径3.2 m，钢管承担设计内水压力为2.15 MPa，管壁采用Q345R，管壁厚度36 mm。采用开孔灌浆方法，固结灌浆孔兼作回填、接触灌浆孔，管顶120°和管底90°范围分别进行回填、接触灌浆，回填、接触灌浆压力分别为0.3 MPa和0.2 MPa。压力钢管灌浆孔有φ76 mm和φ96 mm两种规格，灌浆完毕后孔口用螺栓封堵，堵头上部设计成锥台结构，堵头与管壁焊缝坡口形式为单边陡边坡口。补强板采用Q345D级钢，补强板直径为220 mm。

2.2 计算模型及边界条件

计算模型：孔口尺寸远小于钢管，计算模型取0.5 m×0.5 m的正方形，孔口尺寸φ96 mm，灌浆孔封堵考虑封堵板，尺寸与灌浆孔孔口尺寸一致，补强板外径φ220 mm。钢板采用4节点壳单元模拟，钢材为线弹性模型。计算模型总节点数为3 233个，总单元数为3 200个，计算模型如图2所示。

图2 计算模型

模型坐标系：模型为平面模型，采用笛卡儿直角坐标系，其整体坐标系的X轴为水平向右为正，Y轴沿水平向上为正，坐标原点位于钢板的中心位置。

模型边界条件：计算模型左右两侧施加线荷载p=2.15 MPa×3.2 m，模拟钢管管壁的环向拉力，施加荷载的两端不加约束，另外两侧施加法向位移约束，模拟管道顺水流轴线方向约束。

补强板与钢板四周为周边焊，通过补强板外缘与钢板共节点模拟；灌浆孔口与钢板采用浅焊，通过灌浆孔口添加封堵板模拟，封堵板厚度为坡口深度(焊缝高度)。

2.3 计算方案

根据NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》的规定，钢材参数取值如表1所示。

表1 钢材材料参数

为分析补强板厚度、堵头坡口深度对孔口应力集中的影响，本文对不同的补强板厚度与堵头坡口深度组合方案进行比较分析。钢管上开灌浆孔且不进行补强板补强及灌浆孔封堵为J1方案；钢管上考虑补强板的补强作用，但不对灌浆孔封堵为J2方案；J1方案与J2方案作为基础对比方案。为分析补强板厚度对孔口应力集中的影响，保持堵头坡口深度为18 mm不变，设置6组平行方案(T1方案～T6方案)，补强板厚度分别为6、12、18、24、30、36 mm。为分析堵头坡口深度对孔口应力集中的影响，保持补强板厚度为36 mm不变，设置6组平行方案(H1方案～H6方案)，堵头坡口深度分别为6、12、18、24、30、36 mm。

2.4 计算结果

根据NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》6.0.10的规定，钢管按承载能力极限状态验算时，整体膜应力限值为

(1)

式中，γ0为结构重要性系数，1.0；γd为结构系数，埋管取1.25，单面对接焊焊缝系数取0.9，1.25×0.95/0.9=1.319；ψ为设计状况系数，取1.0。

根据式(1)，可得到钢管整体膜应力限值为219.9 MPa。根据计算，管壁不开孔时的整体膜应力为165.51 MPa，小于钢管整体膜应力限值为219.9 MPa。

表2列出了不同计算方案下孔口周边管壁的Mises应力和孔口应力集中系数(孔口最大Mises应力与整体膜应力的比值)，图3为不同补强板厚度及坡口深度的孔口Mises应力曲线。从计算方案J1可看出，钢管上开灌浆孔不进行补强板补强及灌浆孔封堵时，钢管Mises应力最大，最大值达502 MPa，孔口应力集中系数3.04(与弹性力学结论一致)，远超过了Q345R钢材的屈服强度(325 MPa)；从计算方案J2可看出，当按常规设计补强板厚度为20 mm，钢管上考虑补强板的补强作用，不计灌浆孔封堵的焊接补强作用时，钢管Mises应力最大值为396 MPa，仍超出了Q345R钢材的屈服强度。

图3 孔口最大Mises应力分布曲线

表2 各计算方案钢管Mises应力

2.4.1补强板厚度对应力集中敏感性分析

从图3a可看出，堵头坡口深度保持18 mm不变，补强板厚度由6 mm均匀增至36 mm时，钢管最大Mises应力基本呈线性递减。

当补强板厚度增加至12 mm，孔口应力集中系数1.329，孔口最大Mises应力220 MPa，接近整体膜应力限值219.9 MPa；当补强板厚度增加至即18 mm，孔口应力集中系数1.263，孔口最大Mises应力209 MPa，低于整体膜应力限值，满足规范要求。随着补强板厚度的增加，孔口应力集中系数递减；当补强板厚度与管壁厚度相同时，孔口应力集中系数1.105，大于整体膜应力，但孔口处应力集中削弱效果已不明显。

2.4.2坡口深度对应力集中敏感性分析

从图3b可看出，补强板厚度保持36 mm不变，堵头坡口坡口深度由6 mm均匀增至36 mm时，钢管最大Mises应力逐渐减小，坡口深度越小，对孔口应力集中影响越明显。

当坡口深度等于6 mm，孔口应力集中系数1.601，孔口最大Mises应力265 MPa，超过整体膜应力限值219.9 MPa，小于钢材的抗拉强度设计值；当坡口深度增加至12 mm，即钢管壁厚的三分之一时，孔口应力集中系数1.305，孔口最大Mises应力216 MPa，小于整体膜应力限值219.9 MPa，满足规范要求。随着坡口深度的增加，孔口应力集中系数继续降低，受补强板的作用，当坡口深度增加至24 mm，孔口应力小于钢管整体膜应力。

GB 50766—2012《制作安装及验收规范》建议坡口深度宜为7～8 mm，但此时孔口应力集中现象仍较明显，不能满足规范整体膜应力限值要求。考虑到灌浆孔相较于管壁属于小孔口，影响范围非常有限，参照NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》，地下埋藏式岔管的局部膜应力、局部膜应力+弯曲应力的结构系数γd分别为1.20、1.10，对应的抗力限值为229.06、249.89 MPa。插值计算坡口深度为8 mm时，孔口应力最大Mises应力248.67 MPa，与局部膜应力+弯曲应力限值基本相当。