锅浪跷水电站生态机组岔管水压试验及应力检测研究

杨小军，杨 宏

（四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072）

0 前 言

在岔管制造生产过程中，会产生多种应力，这会对岔管的安全运行产生不利的影响，故需采取措施消减残余应力。水压试验是保证岔管安全运行的重要措施。锅浪跷水电站生态机组岔管较小，采用的是在制造厂进行整体水压试验来消减残余应力，同时对岔管设计和施工质量进行总体检验。

锅浪跷水电站位于四川省雅安市天全县紫石乡境内，系青衣江一级支流天全河梯级开发中的龙头水库，为单一发电工程。电站采用混合式开发方式，主要工程布置有混凝土面板堆石坝、表孔溢洪洞、中孔泄洪放空洞、生态机组、引水系统（含引水隧洞、调压井、压力管道）及电站厂房（含主副厂房、安装间、GIS）等。水库正常蓄水位1 280.00 m，总库容约1.84亿m3，调节库容1.31亿m3，最大坝高186.30m，最高水头280 m，电站装机容量3×70 MW（主机组）+10 MW（生态机组），设计引用流量94.5 m3／s。其中，10 MW装机为生态流量机组，生态流量机组厂房位于大坝下游约100 m处左岸坡脚，从左岸引水隧洞外侧边墙开岔洞取水，沿厂房后侧山体布置压力管道直通厂房。生态机组压力钢管采用“一分二”内加强型月牙肋岔管，1号支管给机组供水，2号支管经旁通阀进入天全河。岔管公切球直径为1 920 mm，岔管主管内直径1 600 mm，1号支管内直径1 600 mm，2号支管内直径1 200 mm。岔管采用Q345R容器板制造，岔管壁厚均为20 mm，月牙肋厚度为46 mm。

1 岔管水压试验目的

岔管在制造成型时，各管节瓦片经机械卷制、瓦片拼装、管节环纵缝焊接等施工，在此过程中会产生轧制应力、热处理应力、现场卷制中的机加应力、焊接收缩应力等多种应力。尽管制造过程中采取了消应措施，但仍不能完全消除，最后在其内部将产生较大且不均匀的残余应力，可能使岔管处于不平稳或不安全状态，降低了岔管的尺寸稳定性和机械物理性能，使岔管在使用过程中产生应力变形和失稳，尺寸精度得不到保证。由于受岔管体型大小、焊接方式、焊接填充量的影响，岔管的残余应力是不一样的。因此，在超载内压下了解岔管结构缺陷，检验结构整体安全度，以确保安全运行；当岔管焊接完成后，必须消减其内部的残余应力，而消减岔管残余应力最好的方式就是水压试验。通过水压试验，可进一步检验设计方案的合理性、整体安全度，为岔管的长期安全稳定运行提供可靠保证；使岔管发生塑性变形，削减焊接残余应力及不连续部位的峰值应力；并可以检验制造和安装质量的可靠性。

2 岔管水压试验

2.1 水压试验技术要求

（1）试压时水温应在5℃以上。

（2）水压试验分四级加载（一级压力值：P1=0.85 MPa；二级压力值：P2=1.70 MPa；三级压力值：P3=2.55 MPa；四级压力值：P4=3.40 MPa），加压加速度不大于0.05 MPa／min，每级加载至设计压力后保持30 min以上，检查焊缝以及其他结构安全；同时，压力表指针需保持稳定且无异常才被允许继续加压，当升至设计工作压力3.40 MPa后稳压30min以上，检查压力钢管及其附件的安全性，无异常后按原加压的相反顺序分级卸荷。

（3）压力钢管水压试验过程应设置应变量测仪器，并在试验过程中测读数据，分析应力变化情况。

（4）试验完毕后，应割去闷头及管壁联接段的热影响区，余留长度应符合设计图纸要求。

（5）试验完成后，承包人应提交水压试验报告。

2.2 水压试验安全注意事项

（1）岔管本体制造质量是检验水压试验成败的关键之一。一般情况下都要进行出厂检查验收，重点检查原材料质量、组装质量、焊接质量。任何质量缺陷或疑点均应追溯确认，保证岔管本体制造质量满足设计及规范要求。

（2）试验闷头一般也是由制造厂提供，检查闷头本体的质量应满足设计及规范要求。

（3）闷头组装焊接质量检查中，闷头焊缝质量是检验试验成败的关键因素之一。由于现场条件的限制，组装焊接质量较制造厂控制难度偏大，应重点检查坡口形式及尺寸、组装焊缝质量、焊接质量等。

（4）成立试验工作领导小组，试验过程中由领导小组统一指挥，对每级试验数据迅速准确做出判断和分析。

（5）设置试验封闭警戒区，无关人员不得进入试验现场；试验过程中，监测人员尽可能避开焊缝、阀门等可能产生高压水伤人的区域。

（6）试验过程中加强监测巡视，一旦发现漏水、异常变形、异常声响、压力突变、升压泵异常等现象，应立即停止试验，分析原因并采取妥善处理后方可继续进行试验。

2.3 水压试验工艺流程

岔管制作检测合格→岔管水压试验方案编制并报批→水压试验闷头制作、焊接、检测→清理试验场地，安装试压泵、排气阀、冲水阀和压力表及检测设备→进行水压试验，同步进行岔管外观监测及应力测试→闷头及管路等拆除→编报岔管水压试验报告。

2.4 水压试验前准备工作

岔管水压试验采用3个闷头与岔管焊接形成一个封闭空间，生态机组岔管水压试验俯视效果见图1。水压试验前的准备工作：岔管主管进水口Φ1 600 mm的1号闷头装焊→排气管等附件装焊→岔管1号支管出水口Φ1 600 mm的2号闷头装焊→进水管、排水管等附件装焊→管内排架、工装、压码等拆除→岔管2号支管出水口Φ1 200 mm的3号闷头装焊→外壁对水压试验有强制约束的工装拆除。

图1 生态机组岔管俯视示意

（1）闷头安装焊接完成后，在闷头安装过程中，重点检查坡口形式及加工质量、组装焊缝质量、焊接工艺质量等。

（2）管路、阀件及压力表等附件安装完成后，检查验收合格。

（3）在主管的连接钢管上，岔管内壁的最高处设置一个补排气管、一个充水阀及一套高压水泵，最低处设置一个排水管。排气管应与内壁间隙约1 mm，外端管口面应高于岔管的最高平面，保证在水压试验前排尽岔管内的空气。

（4）水压试验管内充水前，应对连接于受试结构上的工卡具、临时支撑件、支托、起重设备等可能改变结构本身拘束边界条件的设施进行解除拘束处理；应对结构上的焊疤、划痕等缺欠进行修补打磨。

（5）将岔管吊装进入水压试验场地平台上，并对其进行加固及清理试验场地，将所有与试压无关的杂物清理出试验场地，以防试验过程中发生危险。

（6）在水压试验之前，承包人、检测机构及监理应共同确认钢岔管焊缝按合同要求经RT+UT检测合格，岔管闷头焊缝经UT检测合格。

（7）在岔管水压试验的观测中，对应变计及静态应变测量分析系统安装调试完毕后达初步验收合格。

2.5 水压试验步骤

（1）从注水管口注入洁净自来水，如排气孔不是岔管工件最高点，应在岔管最高处设一细软管，利用连通管原理将岔管最高处的空气导至排气管，直至水从排气管及排气细软管中溢出，岔管排气充水结束。

（2）当管体壁温与水温度接近时，才能利用电动试压泵向岔管内缓慢升压（加压加速度不大于0.05 MPa／min）。在升压过程中，同步进行应力测试监测，升压至0.85 MPa后停止加压，稳压30 min后对岔管焊缝及各连接处进行检查。检查时，用小榔头或木锤适度敲打近焊缝两侧，观察焊缝及各连接处，确认各处无泄漏、无异常声响后，继续试验。

（3）压力泵缓慢升压至1.70 MPa、2.55 MPa、3.40 MPa，当升压至3.40 MPa后升压结束，每级稳压30 min，稳压期间检查方式同上，上一级无异常后方可进行下一级试验。

（4）开始逐级减压时，由3.40 MPa降至2.55MPa、1.70 MPa、0.85 MPa，稳压10 min后，检查并同步应力测试，确认各处检查及应力变形监测数据均无异常后再继续下一级试验。

（5）压力回降至大气压时，先打开排气管阀门，再打开排水管阀门，钢岔管自流排水。

2.6 闷头拆除

岔管内的水放空之后，拆除加压泵，卸下压力表、阀门等试验设备。割除闷头时，将钢管上闷头焊接时的热影响区一起割除。全部闷头割除后，将残留焊疤等打磨清除干净，剩下的钢管长度需满足施工中对尺寸、坡口等要求。

3 应力监测

3.1 测点布置

岔管应力测试的重点部位为主管与支管的纵缝、环缝的对接焊缝、月牙肋腰部，所有测点均布置于钢岔管外壁，距焊缝20 mm。1号至14号测点为双向电阻应变计，其X方向表示水流方向（轴向），Y方向表示圆周方向（环向）；15号测点为单向电阻应变计，测点布置在月牙肋腰部。将电阻应变计与DH3816型静态应变测量分析系统联接起来，在调试正常后，记录各压力等级对应的应力值。测点布置参见图2。

图2 生态机组岔管应力测试布点示意

3.2 测试结果及分析处理

（1）试验数据。应力测试详细数据见表1，σX表示水流方向（轴向）应力，σY表示圆周方向（环向）应力；正值表示拉应力，负值表示压应力。

表1 应力测试数据 单位：MPa

（2）试验数据分析。应力测试数据表明，当试验压力为3.4 MPa时，最大应力测点为主管与支管环焊缝右侧腰部的1号测点，实测值为166.1 MPa，接近Q345R材料的许用应力值（167 MPa），其余各测点应力值均低于Q345R材料的许用应力值（167 MPa）。对13号测点的测试数据进行分析，其数据线性度为0.999 8，说明该测点的应力值和试验压力值呈良好的线性关系，表明在试验压力循环下，测点处于弹性形变状态，同时说明测试系统和测试工艺稳定可靠。其中对13号测点的测试数据进行分析发现，其数据线性度为0.999 8，说明该测点的应力值和试验压力值呈良好的线性关系，表明在试验压力循环下，测点处于弹性形变状态，同时说明测试系统和测试工艺稳定可靠。

4 结 语

水压试验是对岔管设计和施工质量的总体检验，检验设计的计算参数和成果、结构设计和材料选择，可验证岔管各部位特别是一些重要部位的应力分布及变形是否与设计相符合，同时检验制造安装焊接工艺、焊接质量是否满足设计和规范要求，并通过分级加载试压，消减岔管内残余应力，改善岔管焊缝的应力状态，保证了岔管的安全运行。锅浪跷水电站生态机组水压试验及测试结果表明，钢岔管在水压试验过程中的应力状态正常，各测点均处于安全裕量较大的弹性变形状态，能满足岔管安全运行的要求。水压试验后，岔管的总体应力虽有所降低，但应力分布却更均衡，试验过程中未发生岔管渗漏和焊缝开裂现象，岔管的制造及安装质量良好，很好地保证了电站长期安全稳定运行。