李 捷 牛文娟 冉建西

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院 烏魯木齊 830000）

在水電站工程中，壓力鋼管材質(zhì)選擇,應(yīng)具有良好的可焊性、低溫穩(wěn)定性、塑性和抗沖擊韌性。發(fā)電引水系統(tǒng)中壓力鋼管因用量大、價格高，在投資上占有比重較大，選擇經(jīng)濟(jì)合理的壓力鋼管材料較為重要。隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前市場上可選用的鋼材品種較多，而且質(zhì)量都能得到保證。因此，在鋼岔管管材的選取時，需要充分考慮到多種因素的影響，經(jīng)過綜合比較確定性價比高的管材。

1 工程概況

1.1 基本資料

山口水電站工程由混凝土拱壩、泄水建筑物、發(fā)電引水洞、調(diào)壓井、高壓管道和水電站廠房等建筑物組成。水庫正常蓄水位646m，死水位620m，設(shè)計洪水位643.73m，校核洪水位647.21m，水庫總庫容2.22億m3。電站采用“一洞四機(jī)”的布置方式，裝機(jī)容量220MW，裝機(jī)4臺（2×80MW+2×30MW），多年平均發(fā)電量6.43億kW·h。

發(fā)電引水系統(tǒng)由引水渠、進(jìn)口段、洞身段、高壓管道、調(diào)壓井、岔管和支管等組成。設(shè)計引水流量365.62m3/s，最大水頭79.4m，系統(tǒng)總長1115m。發(fā)電引水洞末端壓力鋼管，通過三次分岔，將一根主管分為4根支管接入主廠房內(nèi)。鋼岔管均為地下埋管，廠房附近的支管為明管。1～3號岔管型式采用“卜”形月牙肋岔管；岔管前接主管內(nèi)徑9.0m；支管為兩大兩小共4根，其中，1號、2號支管內(nèi)徑3.2m，3號、4號支管內(nèi)徑5.2m（見下圖）。

岔管平面結(jié)構(gòu)圖

1.2 計算參數(shù)

鋼岔管上部為5～10m的沖洪積碎塊石土層，結(jié)構(gòu)松散，下伏基巖埋深9～40m，巖性為厚層-巨厚層狀灰白色二長片麻巖，圍巖分類為Ⅲ類，局部穩(wěn)定性差。圍巖彈性模量Ed=46.2GPa，單位彈性抗力K0=35～40MPa/cm，膨脹系數(shù) αd=1.0×10-6/℃，泊松比 μd=0.25。

凈水頭（考慮調(diào)壓井最高涌浪水位）92m，設(shè)計內(nèi)水壓力（加水錘壓力）118.4m，水壓試驗(yàn)壓力130.3m。

2 岔管管材比較分析

2.1 管材選擇

管材應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和焊接性能。針對該工程設(shè)計水頭不高、管徑較大的特點(diǎn)，可選用強(qiáng)度大、剛度高的高強(qiáng)鋼及沖擊韌性好的低合金鋼。水電站鋼管運(yùn)行不會低于0℃，因此C級鋼已足夠。對岔管的基本錐和過渡錐均采用較高強(qiáng)度的鋼材，而連接岔管的主管及支管采用較低一級的鋼材。該工程分別選擇了高強(qiáng)鋼600MPa、800MPa，低合金鋼 Q345C、Q390C 進(jìn)行比較（見表1），對岔管管材初擬方案如下：

表1 鋼材力學(xué)性能參數(shù)

方案一：岔管基本錐采用800MPa鋼材，岔管過渡錐及岔管與岔管連接主管段采用600MPa鋼材。

方案二：岔管基本錐采用Q390C鋼材，岔管過渡錐及岔管與岔管連接主管段采用Q345C鋼材。

2.2 從工程量角度比較

岔管體形設(shè)計，依據(jù)規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)分析法，以及類比已建工程，初步擬定岔管結(jié)構(gòu)尺寸。再由有限元計算進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整體形參數(shù)，使各管節(jié)應(yīng)力分布均勻，最終確定不同管材下的最小壁厚及肋板厚度。

該工程埋藏式岔管按明岔管設(shè)計，經(jīng)有限元計算的壁厚及肋板厚度，滿足明岔管應(yīng)力控制準(zhǔn)則。根據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案擬定的岔管體形及壁厚，計算的應(yīng)力均小于應(yīng)力值范圍。3號岔管的主管管徑相對于1號和2號岔管較小，但由于其兩個支管管徑大，在分岔角不變的情況下，所需管壁厚度并不隨主管管徑縮小而可以減薄，維持2號和3號岔管相同的管壁厚度也有利于訂貨采購。岔管厚度計算結(jié)果見表2。

一般鋼管壁厚超過32～36mm，焊接時要進(jìn)行熱處理，焊接后還需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，工藝復(fù)雜。通常為避免焊接前后熱處理工序，需要通過提高鋼板材質(zhì)的強(qiáng)度等級來減少鋼板厚度。

表2 管壁和肋板厚度 單位：mm

從表2中鋼岔管壁厚計算值可知，雖然鋼岔管的管徑大，但壓力水頭不高。岔管采用Q390C鋼材的有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算的壁厚雖大于800MPa的鋼岔管，但兩方案計算厚度均未超過規(guī)范規(guī)定范圍，滿足設(shè)計要求,無需提高鋼材等級。

由不同管材的岔管壁厚可初步計算工程所需的鋼材量及投資費(fèi)用，4種鋼材的價格比較情況見表3。

表3 鋼材的工程量及投資比較情況

鋼材的直接經(jīng)濟(jì)費(fèi)用是選擇管材的重要指標(biāo)之一。由于低厚合金鋼Q345C、Q390C在市場上相當(dāng)普遍，國內(nèi)各大中型鋼廠都能生產(chǎn)，所以兩種鋼材價格比較低且相當(dāng)。岔管采用Q390C（相對應(yīng)的岔管過渡段采用Q345C）管材，用量比較多，但價格較低。對于600MPa、800MPa的高強(qiáng)鋼，目前只有少數(shù)大型鋼廠才能生產(chǎn)，因強(qiáng)度高，價格偏高?？傮w看來，Q390C鋼材與800MPa（相對應(yīng)的岔管過渡段采用600MPa）的管材總價數(shù)量水平相當(dāng)，相差不多。

2.3 從焊接質(zhì)量控制角度比較

鋼材在焊接前要進(jìn)行焊接工藝評定，焊接線能量對高強(qiáng)鋼的焊接是一個非常重要的參數(shù)。600MPa、800MPa高強(qiáng)度低合金調(diào)質(zhì)鋼的焊接質(zhì)量保證，除加強(qiáng)無損探傷檢驗(yàn)工作外，更為重要的是必須對焊接線能量和工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制和管理，達(dá)到規(guī)范所要求的機(jī)械性能指標(biāo)。

鋼材焊接后的消應(yīng)處理方法大致可分為兩大類。第一類：使內(nèi)應(yīng)力大量消除，如熱時效，一般可以消除殘余應(yīng)力50%～80%。第二類，提高構(gòu)件的松弛剛度，如自然時效和加載處理等。振動時效是以上兩種時效方法的綜合的結(jié)果。Q390C可以進(jìn)行局部熱處理消應(yīng)或振動消應(yīng)。600MPa、800MPa鋼不允許熱處理消應(yīng)，可以進(jìn)行振動消應(yīng)。800MPa高強(qiáng)鋼在已建的喀臘塑克水利樞紐工程中鋼岔管已經(jīng)采用，鋼材焊接后振動消應(yīng)的處理方法應(yīng)用非常成功。

可以看出，600MPa、800MPa鋼含金元素多，焊接技術(shù)要求高，消應(yīng)處理方法控制嚴(yán)格。但近幾年，隨著國內(nèi)高水頭、大管徑的工程不斷增加，600MPa、800MPa鋼在水利工程中已得到廣泛應(yīng)用，已經(jīng)有成功的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。如西龍池抽水蓄能電站埋藏式鋼岔管，管材800MPa鋼，壁厚56mm；江蘇宜興抽水蓄能電站埋藏式鋼岔管，管材600MPa鋼，壁厚60mm。因此，岔管采用高強(qiáng)鋼的焊接工藝已經(jīng)成熟，焊接質(zhì)量控制已不成問題。

2.4 從安裝施工角度比較

該工程岔管尺寸大，整體在洞外制作、運(yùn)輸進(jìn)洞安裝所需運(yùn)輸洞開挖尺寸過大，工程實(shí)施有困難。而在洞內(nèi)組裝岔管，相比Q390C低合金鋼，600MPa、800MPa的高強(qiáng)鋼質(zhì)量較難保證。若采用800MPa高強(qiáng)鋼，勢必使岔管的壁厚降低，如壁厚太薄，鋼材在吊裝、運(yùn)輸過程中，有可能產(chǎn)生較大變形。主管管徑為9m，在水電工程中屬于大管徑鋼管，若迫使鋼岔管的管徑與壁厚要相匹配，滿足一定的剛度要求，則鋼岔管管材的選用中800MPa強(qiáng)度較高，可以相應(yīng)降低管材強(qiáng)度，從而增加壁厚。

3 結(jié)論

由于本工程埋藏式岔管最大HD值為1065m2，與現(xiàn)有國內(nèi)已建、在建的大型鋼岔管相比，HD值偏小，岔管強(qiáng)度要求不高，不是高強(qiáng)鋼的適用范圍。雖然岔管水頭不高，但管徑相對較大，出于工程安全考慮，鋼岔管的管材選取強(qiáng)度也不應(yīng)太低。方案一的800Mpa高強(qiáng)鋼，總價略高，因管材強(qiáng)度高，計算岔管壁厚較小，洞內(nèi)安裝施工較為困難。方案二的Q390C為低合金鋼，強(qiáng)度較低，價格便宜，對于大管徑岔管，管材剛度較小。綜合考慮各種因素的影響，為減少工程費(fèi)用并降低施工難度和質(zhì)量風(fēng)險，將鋼岔管管材調(diào)整為600MPa，進(jìn)一步進(jìn)行岔管結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

[1]馬善定，伍鶴皋，秦繼章.水電站壓力鋼管.武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2002.

[2]姜長飛，鐘秉章.江蘇宜興抽水蓄能電站埋藏式鋼岔管設(shè)計//第六屆全國水電站壓力管道學(xué)術(shù)論文集.北京：中國水利水電出版社，2006.

[3]侯靖.抽水蓄能電站壓力鋼管設(shè)計探討//第六屆全國水電站壓力管道學(xué)術(shù)論文集.北京：中國水利水電出版社，2006.