壓力鋼管整體水壓試驗(yàn)的嘗試

1、壓力鋼管整體水壓試驗(yàn)的嘗試摘要文章通過對(duì)銀河水電站引水系統(tǒng)鋼管整體水壓試驗(yàn)有關(guān)計(jì)算、方案等方面的詳細(xì)介紹，給有關(guān)長距離高水頭的試驗(yàn)工作提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞壓力鋼管；高水頭；水壓試驗(yàn)作者簡介潘耀林，廣西水工機(jī)械廠總工程師，研究方向：水工機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造及管理，廣西柳州，545100中圖分類號(hào)TU511.3+7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)】1007-7723(2007)09-0048-0006一、前言廣西水工機(jī)械廠2004年為桂林龍勝銀河水電站制造并安裝的壓力鋼管，全長約3.2km,高程差為580m,安裝完畢后應(yīng)業(yè)主及設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了全段水壓試驗(yàn)并取得成功。工程于2004年9月結(jié)束，并于2004年10

2、月順利并網(wǎng)發(fā)電。在如此長的管段上進(jìn)行全段水壓試驗(yàn)在廣西乃至全國都是非常罕見的。因此，對(duì)類似的試驗(yàn)工作有一定的借鑒作用。工程背景資料銀河水電站為跨流域引水的山區(qū)式電站，其水源區(qū)為龍勝縣偉江河中上游山區(qū)，渠首位于龍勝縣偉江鄉(xiāng)里木村下游約200m的碧林澗與偉江河的匯合口下游450m的偉江河谷。銀河水電站總裝機(jī)2X12.5MW,由引水壩、引水渠道、無壓引水隧道、壓力前池、壓力鋼管相聯(lián)，并與升壓站及電力送由設(shè)施構(gòu)成本工程的主體。電站設(shè)壓力管道主管一條，全長3151.135m,鋼管最大工作水頭（包括水擊壓力）為610.0m,沿管線共布置有30個(gè)鎮(zhèn)墩，1#29#鎮(zhèn)墩的下游側(cè)均設(shè)有伸縮節(jié)共29個(gè)。壓力鋼管全線

3、6#鎮(zhèn)墩19#鎮(zhèn)墩間，25#鎮(zhèn)墩29#鎮(zhèn)墩間共1920m長為洞內(nèi)明管，其余1231.135m長為坡面明管。1#8#鎮(zhèn)墩間管長726.206m,管內(nèi)直徑1.64m,管壁厚14mm,管壁材料為Q235C;8#19#鎮(zhèn)墩間管長1320m,管內(nèi)直徑1.64m,管壁厚14mm,管壁材料為Q345C;19#20#鎮(zhèn)墩間管長120m,管內(nèi)直徑1.5m,管壁厚18mm,管壁材料為Q345C;20#21#鎮(zhèn)墩管長100.8m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚20mm,管壁材料為Q345C;21#24#鎮(zhèn)墩間管長252.5m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚22mm,管壁材料為Q345C;24#27#鎮(zhèn)墩間管長291.84m

4、,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚度24mm,管壁材料為Q345C;27#28#鎮(zhèn)墩間管長105.00m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚26mm,管壁材料為Q345C;28#29#鎮(zhèn)墩間管長107.333m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚28mm,管壁材料為Q345C;29#30#鎮(zhèn)墩間管長127.55m,管內(nèi)直徑為1.50m,管壁厚30mm,管壁材料為Q345Co在30#鎮(zhèn)墩處有一岔管，岔管壁厚36mm,岔管材料為Q345C。岔管后分為兩條支管，共長31.362m,支管內(nèi)直徑為0.8m,管壁厚16mm,管壁材料為Q345C。三、水壓試驗(yàn)的目的壓力鋼管在現(xiàn)場安裝完畢后，為了檢查安裝質(zhì)量、焊縫的密封程度，以及

5、鋼管實(shí)際承受壓力的工作情況，需要對(duì)鋼管進(jìn)行水壓試驗(yàn)。鋼管在工廠制造時(shí)，由于工作條件都比較好，例如拼裝、焊接和檢查等均可在較好的情況下進(jìn)行，并可采用自動(dòng)或半自動(dòng)焊接；但是鋼管在現(xiàn)場安裝時(shí)，情況就不同了，無論是拼裝、焊接或檢查都受現(xiàn)場條件的限制，如焊接中的仰焊問題，在現(xiàn)場安裝就避免不了，如在坡度較陡的管段上，工作條件更困難。為此原因，在鋼管安裝好后，進(jìn)行水壓試驗(yàn)來檢查鋼管的實(shí)際工作狀況是必要的。但在通常情況下，水電站的壓力鋼管要整條地進(jìn)行水壓試驗(yàn)是不可能的。因?yàn)殇摴艿氖撞颗c末端的高程相差很大，同時(shí)，鋼管的工作壓力也是末端大、首部小，若水壓試驗(yàn)是整條鋼管進(jìn)行，很可能是首部的壓力已大大超過試驗(yàn)要求的壓

6、力，而末端的壓力尚不到試驗(yàn)的壓力值。因此，現(xiàn)場水壓試驗(yàn)常常是劃分成幾段來進(jìn)行。但在銀河電站進(jìn)行分段試驗(yàn)：一方面操作上比較困難；另一方面會(huì)大大影響工期。因此，經(jīng)與業(yè)主、設(shè)計(jì)方協(xié)商，水壓試驗(yàn)按全段進(jìn)行，但壓力控制點(diǎn)為7#8#鎮(zhèn)墩管段（此段的設(shè)計(jì)安全系數(shù)最?。?，而不是最末端壓力。四、水壓試驗(yàn)的有關(guān)計(jì)算（一）試驗(yàn)壓力的確定為了使水壓試驗(yàn)?zāi)苷嬲胤从秤射摴芩艹惺艿膲毫Γ畨涸囼?yàn)所使用的壓力，應(yīng)當(dāng)比該段鋼管正常工作壓力高，試驗(yàn)壓力最小應(yīng)取1.25倍的鋼管設(shè)計(jì)壓力，在莫些情況下可取到1.5倍的鋼管設(shè)計(jì)壓力。此次水壓試驗(yàn)壓力控制點(diǎn)為7#8#鎮(zhèn)墩管段（最薄弱管段），該節(jié)的設(shè)計(jì)最大工作壓力為1.79Mpa,最大

7、試壓值應(yīng)為：1.79X1.45=2.60MPa,止匕壓力為水壓試驗(yàn)控制壓力。而此處的靜水壓為1.42Mpa,這意味著需人工加壓1.18Mpa。（二）管壁應(yīng)力驗(yàn)算在決定了鋼管水壓試驗(yàn)的壓力后，應(yīng)對(duì)鋼管管壁的應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。由于水壓試驗(yàn)是臨時(shí)性的，所以驗(yàn)算管壁應(yīng)力時(shí)，其允許應(yīng)力是可以提高的。但為了使鋼管在水壓試驗(yàn)后不留下殘余變形，水壓試驗(yàn)時(shí)的管壁應(yīng)力不應(yīng)超過或達(dá)到材料的屈服極限，而應(yīng)當(dāng)維持在該極限的范圍內(nèi)，一般可使用到0.9bs。顯然，8#鎮(zhèn)墩前的鋼管截面為最危險(xiǎn)截面，因此要對(duì)此處鋼管的跨中斷面的管壁應(yīng)力進(jìn)行校核，其計(jì)算過程如下：式中：e為計(jì)算點(diǎn)半徑與管中心鉛垂線的夾角：e=0時(shí)為管頂點(diǎn)；e=90&

8、#176;時(shí)為管水平軸線；e=180°時(shí)為管底處。2 .軸向力2A在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力ax1（以拉力為+）計(jì)算公式：CTXl=其中，2A為作用在鋼管上各種軸向力的代數(shù)和，包括鋼管自重的軸向分力、伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力、溫升時(shí)伸縮節(jié)止水填料的摩擦力和溫升時(shí)支座對(duì)鋼管的摩擦力。3 .法向力在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。x2從計(jì)算結(jié)果可看由，試驗(yàn)壓力的選取并未超生允許范圍。（三）封頭計(jì)算4 .封頭選型在壓力管中使用的封頭型式，應(yīng)從加工方便和工作安全來考慮。平封頭的制作最為簡單，但在此水壓試驗(yàn)中的壓力較大，一般的平封頭已不能滿足要求，而使用其他型式的封頭受現(xiàn)場條件限制比較困難。我們受鋼閘門的設(shè)

9、計(jì)啟發(fā)，決定采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)型式，現(xiàn)場制作非常方便，又能保證安全運(yùn)行。5 .封頭強(qiáng)度驗(yàn)算該封頭屬臨時(shí)設(shè)施，安全系數(shù)可適當(dāng)減小，最低可選至1.1,也不用考慮銹蝕的問題。封頭板中部區(qū)格的應(yīng)力驗(yàn)算可按四邊固定矩形薄板進(jìn)行，驗(yàn)算公式如下：式中°mx面板沿x方向的局部彎曲應(yīng)力，bmx=kqa2/82bmy面板沿y方向的局部彎曲應(yīng)力，amy=p,amxa0x對(duì)應(yīng)面板驗(yàn)算點(diǎn)梁系上整體彎曲應(yīng)力a0x=(1.5乙1-0.5)M/W工1面板兼作梁翼緣的有效寬度系數(shù)，取0.7M對(duì)應(yīng)面板驗(yàn)算點(diǎn)梁系上的彎矩W對(duì)應(yīng)面板驗(yàn)算點(diǎn)梁系的截面抵抗矩由表中結(jié)果可見，在封頭板材料采用Q345的情況下，即使不減小安全系數(shù)

10、，也是大大滿足使用要求的，事實(shí)證明也是如此。其他如筋板強(qiáng)度、焊縫強(qiáng)度的驗(yàn)算都比較簡單，這里就不一一詳述。（四）加壓泵的選擇鋼管水壓試驗(yàn)的加壓速度不宜過快也不宜過慢。過快會(huì)使鋼管的莫些變形在莫一定壓力的過程中由現(xiàn)突變，使鋼管沖擊或振動(dòng)甚至造成破壞，也使壓力不能平穩(wěn)；另外，因管道較長，傳遞壓力也需要一定的時(shí)間。過慢會(huì)因鋼管的膨脹和滲漏而使壓力加不上去。因此，加壓泵除具有一定的壓力外還需有一定的流量。經(jīng)估算，因鋼管的膨脹和滲漏造成的流量損失大概有每分鐘23L。因此，選用的加壓泵的流量要在8L/min以上，而由口壓力有3MPa以上即可。而一般的試壓泵都是壓力高流量小，經(jīng)反復(fù)比較，決定采用QL-280型

11、高壓清洗泵改造成試壓泵，該清洗泵體積小、搬運(yùn)方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，其工作壓力為6MPa,流量為9.8L/min,非常適合該種場合。經(jīng)實(shí)際使用，效果良好，其加壓速度為0.1MPa/h,還是比較適合的。五、方案措施（一）人員配備（二）主要工器具配備（三）安全保障及應(yīng)急措施1 .充水前，安排質(zhì)檢人員將整條壓力鋼管進(jìn)行自檢,檢合格后方可進(jìn)行下一步工作。2 .前池、2#3#、4#5#、8#（安裝表1處）、7#、6#、10#、12#、28#、23#24#、21#22#、18#鎮(zhèn)墩及廠房球閥處的觀察聯(lián)絡(luò)人員各持一臺(tái)對(duì)講機(jī)，保證以上各點(diǎn)通訊暢通。3 .19#、20#鎮(zhèn)墩處的觀察聯(lián)絡(luò)人員各持一面彩旗，保證信號(hào)指示暢通

12、。4 .其他鎮(zhèn)墩處的觀察聯(lián)絡(luò)人員采用信號(hào)燈，也保證信號(hào)指示暢通。5 .機(jī)動(dòng)人員一名（司機(jī)），持一臺(tái)對(duì)講機(jī)，方便上下聯(lián)絡(luò)及應(yīng)急。6 .觀察聯(lián)絡(luò)人員在投入工作前，要集中培訓(xùn)他們作指令信號(hào)的方法，投入工作后精神要高度集中。7 .在充水或加壓階段，各觀察聯(lián)絡(luò)人員如發(fā)現(xiàn)其觀測范圍內(nèi)有異常現(xiàn)象，如焊縫滲水、伸縮節(jié)漏水、進(jìn)人孔漏水、鎮(zhèn)墩撕裂或鎮(zhèn)、支墩地基下沉等等，觀察聯(lián)絡(luò)人員要及時(shí)撤到安全地點(diǎn)并作由異常信號(hào)指令，一一傳遞至指揮人員，指揮人員會(huì)根據(jù)不同的異常情況作曲判斷，必要時(shí)下指令停止充水（或加壓），嚴(yán)重的打開放空管或打開球閥讓發(fā)電機(jī)組過流卸壓，確保沿線人員及壓力鋼管廠房設(shè)備等的安全，并安排相關(guān)人員作由整改

13、，待整改完成后繼續(xù)充水（或加壓）。8 .異常現(xiàn)象整改表：（四）試驗(yàn)步驟1 .在靠近8#鎮(zhèn)墩上游進(jìn)入孔蓋上安裝一只控制壓力表（編號(hào)為：表1）;2 .充水前將發(fā)電機(jī)組前的兩個(gè)球閥全部關(guān)閉，將整條鋼管充水至729.00m高程（此時(shí)尚差前池鋼管進(jìn)水口往下3.6m一段未充水）；3 .觀察整個(gè)鋼管線路確認(rèn)無漏水現(xiàn)象后，用鋼悶蓋把前池鋼管進(jìn)水口（焊接）封上，在悶蓋上裝有供排水及排氣管、測壓表（表2）、加壓管和閥門等，加壓系統(tǒng)如圖2所示；4 .封堵好后，用水泵將膠管伸入供水管處繼續(xù)充水，當(dāng)充滿水后，水會(huì)從排氣管口溢由，表明水已充滿，此時(shí)可將閥門關(guān)死；5 .接著可啟動(dòng)加壓水泵從加壓管處往管內(nèi)充水加壓，先加壓至工

14、作壓力，即當(dāng)表1讀數(shù)為：1.79MPa,表2讀數(shù)為：0.36MPa左右時(shí)，保壓10min,對(duì)鋼管進(jìn)行檢查；若情況正常，繼續(xù)升至試驗(yàn)壓力，即表1讀數(shù)為：2.60MPa,表2讀數(shù)為：1.17MPa左右時(shí)，停止加壓，保壓5min;如無漏水現(xiàn)象，則卸壓至工作壓力，即當(dāng)表1讀數(shù)為：1.79MPa,表2讀數(shù)為：0.36MPa左右時(shí)，保壓30min,對(duì)鋼管進(jìn)行檢查；如無漏水現(xiàn)象，即壓力無明顯下降，則水壓試驗(yàn)成功。6 .水壓試驗(yàn)完成后，先打開封堵悶蓋上的卸壓閥進(jìn)行卸壓，至排氣管無水流由時(shí)再打開發(fā)電機(jī)組前的放空閥排水。之后將前池鋼管進(jìn)水口鋼悶蓋割開，并打磨光、涂油漆。最后將表1拆下，用螺塞將壓力表孔塞住并加焊。

15、六、試驗(yàn)記錄及結(jié)果分析本次水壓試驗(yàn)從沖水開始到試驗(yàn)結(jié)束共歷時(shí)近70個(gè)小時(shí)，其中加壓費(fèi)時(shí)18個(gè)小時(shí)，加壓過程各壓力表記錄如圖3所示：從圖中可看由，在加壓開始階段，壓力增長比較緩慢，這是因?yàn)樗写嬖诳諝?，使得壓力建立比較慢的緣故。而一旦建立起壓力，壓力便成線性增長。但到了結(jié)束階段，壓力增長速度又放緩，這是因?yàn)橐环矫鎵毫υ龈咴斐蓾B漏增加；另一方面壓力增高也使加壓泵的輸生流量有所減少。這也說明該加壓泵的性能還有待增強(qiáng)。圖中只列由兩只壓力表的監(jiān)測情況，實(shí)際我們還監(jiān)測了壓力管末端球閥處壓力表，該表的起始?jí)毫?.98,加壓終止壓力為6.18MPa,過程曲線基本是表1曲線的平移。這說明壓力管末端的試驗(yàn)壓力也達(dá)到了其最大工作壓力5.978MPa(610m)的1.03倍，也達(dá)到了檢驗(yàn)其最大工作狀態(tài)的目的。在各保壓階段，各壓力表均未由現(xiàn)明顯回落，表明壓力管各環(huán)節(jié)均未由現(xiàn)明顯的泄漏。七、結(jié)語本次水壓試驗(yàn)不單檢驗(yàn)了壓力管的制造安裝的質(zhì)量水平，也為