劉 蕊，余 健

(中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京 100024)

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，是當(dāng)前世界上在建裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，規(guī)劃裝機(jī)容量360萬kW，為一等工程，大(1)型規(guī)模，電站主要由上水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、蓄能專用下水庫及攔沙庫等建筑物組成。豐寧電站一期、二期引水隧洞工程由6條高壓鋼管道組成，6條高壓主管平行布置，設(shè)有上平段、上斜段、中平段、下斜段和下平段，斜井角度為53°。電站采用“一管兩機(jī)”方式布置，由高壓主管、岔管和高壓支管組成，下平洞鋼管與鋼岔管連接后由鋼岔管將主管水流分流進(jìn)入機(jī)組[1]。鋼岔管采用對稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，分岔角74°，主管直徑4.8 m，管內(nèi)設(shè)計流速為8.92 m/s，支管直徑3.4 m，管內(nèi)設(shè)計流速為8.89 m/s，最大公切球直徑5.52 m，為主管管徑的1.15倍，采用HD780CF高強(qiáng)鋼制造，管殼厚度66/70 mm，月牙肋板厚126 mm，岔管設(shè)計壓力7.47 MPa，水壓試驗(yàn)壓力6.9 MPa。

1 焊接殘余應(yīng)力測試

1.1 應(yīng)力測點(diǎn)布置

為確保豐寧電站鋼岔管水壓試驗(yàn)的安全進(jìn)行及后續(xù)應(yīng)力測試提供參考，需對鋼岔管進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的測試工作，測試包含水壓試驗(yàn)前和水壓試驗(yàn)后兩個階段，根據(jù)水壓試驗(yàn)前后測試結(jié)果的對比分析，研究水壓試驗(yàn)對殘余應(yīng)力的消除效果[2]。殘余應(yīng)力測試采用無損壓痕應(yīng)變法，利用KJS-3型壓痕應(yīng)變法應(yīng)力測試系統(tǒng)，測量時將應(yīng)變片的應(yīng)變柵分別沿著與焊縫平行和垂直的方向粘貼。根據(jù)豐寧電站鋼岔管焊縫的組成特性，選取關(guān)鍵、有代表性的部位作為測試區(qū)域，水壓試驗(yàn)前、后焊接殘余應(yīng)力測試部位分布在3號岔管下半部具有代表性的焊縫上或其附近，共布置了A、B、C、D、E、F 6個測試區(qū)域，并分別布置了4、3、3、3 、3 、2共計34 個測點(diǎn)，如圖1所示。具體為主支管連接丁字縫(A測區(qū))測試4點(diǎn)；岔管開岔管殼與月牙肋接縫(B測區(qū))測試3點(diǎn)；主支管連接環(huán)縫(C測區(qū))測試3點(diǎn)；腰部焊縫(D測區(qū))測試3點(diǎn)；支管縱縫(E測區(qū))測試3點(diǎn)；外壁頂部非過流面返修環(huán)縫(F測區(qū))測試2點(diǎn)。

圖1 鋼岔管水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試布點(diǎn)圖

1.2 測試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方案要求并結(jié)合岔管特征，水壓試驗(yàn)前、后焊接殘余應(yīng)力測試部位分布在3號鋼岔管具有代表性的焊縫上或其附近，水壓試驗(yàn)岔管充水前進(jìn)行一次測試，水壓試驗(yàn)后， 排干管內(nèi)的水，再進(jìn)行一次測試，即進(jìn)行兩次壓痕殘余應(yīng)力測試，水壓試驗(yàn)前后同一殘余應(yīng)力測點(diǎn)間距為20 mm，測試結(jié)果見表1。

表1 鋼岔管水壓試驗(yàn)前后殘余應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計表 MPa

1.3 結(jié)果分析與評價

表中δx、δy分別表示沿焊縫和垂直焊縫方向的殘余應(yīng)力，應(yīng)力值正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力，HD780CF鋼板的標(biāo)準(zhǔn)屈服強(qiáng)度不低于670 MPa。從測試數(shù)據(jù)看，通過水壓試驗(yàn)，岔管的焊接殘余應(yīng)力有下降趨勢，部分測點(diǎn)下降明顯。水壓試驗(yàn)前岔管內(nèi)壁焊接殘余應(yīng)力最大值位于E測試區(qū)域2號測點(diǎn)，應(yīng)力值為667 MPa，水壓試驗(yàn)后該測點(diǎn)應(yīng)力值為503 MPa，下降24.5%；水壓試驗(yàn)前岔管外壁焊接殘余應(yīng)力最大值位于E測試區(qū)域3號測點(diǎn)，應(yīng)力值為658 MPa，水壓試驗(yàn)后該測點(diǎn)應(yīng)力值為605 MPa，下降8.3%。通過同一測點(diǎn)水壓試驗(yàn)前、后殘余應(yīng)力值的對比分析，更加充分驗(yàn)證水壓試驗(yàn)對焊接殘余應(yīng)力的峰值起到有效的消減作用，為鋼岔管的使用壽命及穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全保障。

2 水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試

2.1 水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備階段

由于鋼岔管內(nèi)壁工作應(yīng)力測試需在有水狀態(tài)下進(jìn)行，應(yīng)準(zhǔn)備防水應(yīng)變片，并設(shè)計制作專用的應(yīng)變片導(dǎo)線過管壁裝置。應(yīng)力測試控制點(diǎn)的測試應(yīng)力分解為環(huán)向和水流方向兩個應(yīng)力分量。本次鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試采用電測法，測試儀器采用DH3815N型應(yīng)變測試系統(tǒng)和DH3819型無線應(yīng)變測試系統(tǒng)，采用進(jìn)口WFCA-6-11-5LT型應(yīng)變片。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，被測構(gòu)件的原始狀態(tài)必須保證，即在鋼岔管不受水壓力的情況下完成應(yīng)變片連接、儀器調(diào)試調(diào)零等準(zhǔn)備工作，然后逐步讓岔管承受水壓力，記錄岔管不同部位在不同壓力等級下所產(chǎn)生的應(yīng)變。水壓試驗(yàn)中環(huán)境溫度不低于10℃，水溫不低于5℃，且岔管內(nèi)水溫與管殼溫度相近時方能升壓[3]。

2.2 水壓試驗(yàn)測點(diǎn)布置

依據(jù)豐寧電站鋼岔管、悶頭剛強(qiáng)度計算報告，應(yīng)力測點(diǎn)布置與計算報告中的鋼岔管關(guān)鍵點(diǎn)位置一致，測點(diǎn)主要集中布置在岔管左側(cè)下半部分。3號岔管應(yīng)力測點(diǎn)布置如圖2所示：左側(cè)腰線布置P1、P2、P3、P4、P5、P6、P10、P13 八個雙向應(yīng)變片；主岔管左下部布置P7、P8、P9 三個雙向應(yīng)變片；頂?shù)赘浇贾肞12、P11 兩個雙向應(yīng)變片；月牙肋腰線部位內(nèi)外布置P14、P15 兩個單向應(yīng)變片；P4 點(diǎn)至P19點(diǎn)所在環(huán)焊縫之間布置P16、P17、P18、P19 四個三向應(yīng)變片；肋旁管殼布置P20、P21、P22、P23 四個三向應(yīng)變片；左側(cè)支岔腰線布置P24、P25 兩個雙向應(yīng)變片；主岔管右腰布置P26、P27、P28 三個雙向應(yīng)變片，以上布點(diǎn)內(nèi)外管壁對稱布置。

圖2 鋼岔管水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試點(diǎn)布置圖

2.3 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試過程

根據(jù)月牙型內(nèi)加強(qiáng)肋岔管的受力特征，岔管應(yīng)力測量的重點(diǎn)部位為鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處，主管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面和支管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面亦應(yīng)布置部分測點(diǎn)。管殼測點(diǎn)在內(nèi)外壁對應(yīng)布置，以考察薄膜應(yīng)力和局部彎曲應(yīng)力[4]。月牙肋板上測點(diǎn)管內(nèi)布置在靠近內(nèi)緣，管外布在月牙肋板外緣。水壓試驗(yàn)過程分為預(yù)壓試驗(yàn)和明管水壓試驗(yàn)兩個階段，試驗(yàn)過程中重點(diǎn)檢查和監(jiān)測水溫與岔管外殼溫差、焊縫外觀滲漏、岔管異常聲響、岔管外形異常變形等指標(biāo)，若監(jiān)測的工作應(yīng)力值接近鋼板試驗(yàn)應(yīng)力允許值，應(yīng)立即停止充水加壓試驗(yàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場分析研究，論證試驗(yàn)?zāi)芊窭^續(xù)進(jìn)行。鋼岔管水壓試驗(yàn)曲線見圖3。

圖3 水壓試驗(yàn)升壓與卸壓試驗(yàn)曲線

2.4 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果

鋼岔管水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試結(jié)果見表2。

表2 鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果統(tǒng)計表 MPa

2.5 應(yīng)力成果分析與評價

1)從水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試結(jié)果分析，試驗(yàn)水壓等級6.9 MPa下整體膜應(yīng)力控制點(diǎn)P9、P10設(shè)計計算最大應(yīng)力302 MPa，實(shí)際測量最大值為237.9 MPa。其他測點(diǎn)的最大應(yīng)力位于內(nèi)部11號測點(diǎn)，最大應(yīng)力值為334.2 MPa，小于許用應(yīng)力440 MPa。各測點(diǎn)的應(yīng)力值和試驗(yàn)壓力值呈良好的線性關(guān)系，說明水壓試驗(yàn)6.9 MPa壓力循環(huán)下，各測點(diǎn)處于線彈性狀態(tài)。

2)各壓力等級下，3號岔管應(yīng)力情況如下：岔管右側(cè)腰線P1、P2、P3、P4、P5、P6、P13七個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為315.6 MPa，外部最大應(yīng)力為307.8 MPa；頂?shù)赘浇黀12、P11兩個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為334.2 MPa，外部最大應(yīng)力為-178.4 MPa(壓應(yīng)力)；月牙肋腰線部位P14、P15 兩個測點(diǎn)，內(nèi)部應(yīng)力為126.1 MPa，外部應(yīng)力為222 MPa；P4點(diǎn)至P19 點(diǎn)所在環(huán)焊縫之間布置的P16、P17、P18、P19四個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為407.4 MPa，外部最大應(yīng)力為-299 MPa(壓應(yīng)力)；肋旁管殼布置P20、P21、P22、P23四個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為337.7 MPa，外部最大應(yīng)力為298.4 MPa；右側(cè)支岔腰線P24、P25兩個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為215.8 MPa，外部最大應(yīng)力為230.5 MPa；主岔管左腰布置P26、P27、P28三個測點(diǎn)中，內(nèi)部最大應(yīng)力為291.5 MPa，外部最大應(yīng)力為285.8 MPa。

3)對岔管設(shè)計控制點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行線性分析，可知各控制點(diǎn)內(nèi)外壁應(yīng)力值線性度良好，說明鋼岔管水壓試驗(yàn)過程是材料完全彈性變形的過程，也說明測試系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

3 水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測

3.1 變形測試方案

岔管水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測采用5G103型位移傳感器和DH3819無線信號采集系統(tǒng)聯(lián)合測試。按照試驗(yàn)方案要求，水壓試驗(yàn)前在3號岔管的主管和2個支管腰部(B1、B2、B8、B9)、頂部(B6)及底部(B5)位置對應(yīng)布設(shè)6個測點(diǎn)；月牙肋外弧線上頂端(B4)、下端頂(B3)和外弧腰線(B7)位置對應(yīng)布設(shè)3個測點(diǎn)；主管悶頭中心(B10)位置對應(yīng)布設(shè)1個測點(diǎn)，共計10個。采用固定于支架上的位移傳感器對每個測點(diǎn)在不同壓力等級下的變形跟蹤測量，支架不能隨鋼岔管的變形而變動[5]。水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測布點(diǎn)如圖4所示。

圖4 鋼岔管水壓試驗(yàn)過程中變形測試位移傳感器布置圖

3.2 變形監(jiān)測成果

水壓試驗(yàn)過程中，在各個壓力循環(huán)下，按一定的壓力等級采集記錄一次數(shù)據(jù)。岔管悶頭部位、腰線、頂部及底部水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)見表3。

表3 鋼岔管水壓試驗(yàn)變形數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 mm

3.3 變形成果分析與評價

水壓試驗(yàn)過程中，在各個壓力等級下，B1、B2、B3、B5、B7測試部位的位移與壓力等級成良好的線性關(guān)系，在最大壓力等級6.9 MPa時，岔管的單側(cè)最大位移位于管外右側(cè)腰線B1位置，最大位移量-4.97 mm(膨脹)，且位移與壓力呈良好的線性關(guān)系，說明整個水壓試驗(yàn)過程，岔管處于彈性變形狀態(tài)。

4 岔管體積變形測試

4.1 體積變化測量方案

鋼岔管體積變形曲線測試主要考察試驗(yàn)壓力與注水量變化關(guān)系，通過記錄各個壓力等級下注入管內(nèi)水的體積來實(shí)現(xiàn)的，試驗(yàn)過程中使用壓力表、量杯分別記錄試驗(yàn)壓力和注入水量數(shù)據(jù)[6]。岔管注滿水后，加載至2.0 MPa后重新卸載至零壓力，并以此為基準(zhǔn)點(diǎn)，繼續(xù)加載向鋼岔管內(nèi)注水，用量杯記錄注入水量，根據(jù)壓力表顯示的試驗(yàn)壓力和注入水量觀測體積變形情況，試驗(yàn)壓力等級與注水量變化關(guān)系如表4所示。

表4 鋼岔管各壓力等級下水壓試驗(yàn)進(jìn)水量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

4.2 結(jié)果分析與評價

水壓試驗(yàn)過程中，在各個壓力等級下，進(jìn)水量與壓力等級成良好的線形關(guān)系。水壓試驗(yàn)進(jìn)水量與壓力等級關(guān)系如圖5所示。

圖5 第一次、第二次水壓試驗(yàn)進(jìn)水量與壓力等級關(guān)系圖

5 結(jié) 語

1)豐寧電站鋼岔管為高水頭、大體型，岔管焊縫質(zhì)量主要通過無損檢測和力學(xué)性能兩方面共同評定，焊縫無損檢測可以通過UT、MT、RT、TOFD等方法來完成，但力學(xué)性能的檢測難以實(shí)現(xiàn)，且無法重復(fù)和再現(xiàn)測試。因此通過豐寧電站鋼岔管焊接殘余應(yīng)力對比試驗(yàn)、水壓試驗(yàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試、水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測及體積變化測量等檢測手段，驗(yàn)證了鋼岔管焊縫接頭承受極端荷載的能力，也印證了豐寧電站鋼岔管的設(shè)計、選材、制造及水壓試驗(yàn)的技術(shù)參數(shù)選擇是科學(xué)合理的，鋼岔管整體質(zhì)量滿足豐寧電站運(yùn)行要求。同時，豐寧電站鋼岔管水壓試驗(yàn)的成功，也為國內(nèi)未來高水頭、大HD值高壓鋼岔管的水壓試驗(yàn)提供了工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

2)水壓試驗(yàn)過程中，岔管在最大試驗(yàn)壓力6.9 MPa下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為407.4 MPa，小于許用應(yīng)力440 MPa，具有一定的安全裕度。整個水壓試驗(yàn)過程中，鋼岔管處于彈性變形狀態(tài)，岔管本體未發(fā)生滲漏和焊縫開裂，岔管的監(jiān)控點(diǎn)位移變形較小，通過水壓試驗(yàn)前后焊接殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的對比分析，驗(yàn)證了水壓試驗(yàn)對焊接殘余應(yīng)力的峰值起到較好的消減作用，有效消除鋼岔管的尖端應(yīng)力及施工附加變形，鈍化結(jié)構(gòu)焊接和冷加工殘余應(yīng)力、安裝應(yīng)力，為鋼岔管的長期穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全保障。