一道橋水電站岔支管壓力試驗(yàn)過程淺析

一道橋水電站岔支管11.5Mpa水壓試驗(yàn)淺析岳廷文米嘉趙小勇（水電七局有限公司機(jī)電安裝分局四川彭山620860）摘要一道橋水電站安裝2臺單機(jī)40MW高水頭沖擊式水輪發(fā)電機(jī)，其額定水頭為關(guān)鍵詞725m，岔管設(shè)計(jì)壓力為9.2Mpa，根據(jù)相關(guān)要求對岔管做水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為11.5MPa。試驗(yàn)全過程由水利部質(zhì)檢中心進(jìn)行應(yīng)力測試及聲發(fā)射監(jiān)控檢測及評定。本文對岔管水壓試驗(yàn)中的工藝特點(diǎn)和要點(diǎn)進(jìn)行闡述和分析，以供其他類似施工提供參考。關(guān)鍵詞一道橋水電站；鋼岔管；水壓試驗(yàn)；聲發(fā)射監(jiān)控；應(yīng)力測試Abstract:IntheYidaoqiaoHydropowerStation,itwereinstalledwith2setsofhighheadPeltonTurbinewithcapacityof40MWpereachandthedesignpressureofBifurcationis9.2Mpa.Accordingtotherelevantrequirements,thebifurcationpipeshouldbecarriedonthewaterpressuretest.Thetestpressureis11.5Mpa.TheQualityCenterofMinistryofWaterResourceswillcarryouttheacousticemissionmonitoringandstresstestinthewholeprogress.Inthisarticle,thetechnologycharacteristicsandkeypointswillbeexplainedandanalyzedforreferencebyotherequivalentconstruction.Keywords:YidaoqiaoHydropowerStationBifurcationpipeWaterPressureTestAcousticemissionmonitoring Stresstest1、概述一道橋水電站位于四川省甘孜藏族自治州九龍縣境內(nèi)，為鐵廠河梯級開發(fā)自上而下的第二個(gè)梯級水電站。電站額定水頭725m，引水隧洞長約11km，壓力鋼管段長約lkm，由上平段、斜坡段、下平段以及一個(gè)帶月牙肋“卜”型岔管和兩條支管構(gòu)成，整條管線材質(zhì)均為B610CF高強(qiáng)鋼。岔管制作安裝完畢后根據(jù)設(shè)計(jì)要求需進(jìn)行水壓試驗(yàn)，經(jīng)過多次方案討論以及結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，為保證電站安全運(yùn)行，將水壓試驗(yàn)的范圍增加至各支管球閥段，試驗(yàn)水壓力定為T.25倍設(shè)計(jì)壓力”即9.2x1.25=11.5MPa，其試驗(yàn)范圍平面圖如下。2、施工過程中嚴(yán)格質(zhì)量控制放樣下料、確保整體成形精度岔支管在進(jìn)行制造技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)采用計(jì)算機(jī)軟件自動展開作圖法對岔管中的各管節(jié)進(jìn)行展開放樣，并按照設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求進(jìn)行合理的排料。在制作前采用電腦三維模擬整體的結(jié)構(gòu)形狀，將每個(gè)錐的幾何尺寸以及錐體之間的組裝角度均嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行整體模擬。制作時(shí)，先采用800t壓力機(jī)將鋼板壓制成一個(gè)整體的錐管，再進(jìn)行模擬計(jì)算的結(jié)果，在大直徑端頭用2個(gè)平面相截，A、B、C錐和月牙肋相互對照進(jìn)行劃線切割。這樣即可以避免由于鋼板強(qiáng)度高在壓制過程中的誤差累計(jì)使組裝精度降低，還可以靈活的處理殼板和肋板對裝的組合焊縫在不同位臵開制不同的坡口形式以利于焊接施工。和傳統(tǒng)先下料再利用卷板機(jī)卷制最后組裝的工藝相比較其精度又有所提高。焊接試驗(yàn)、機(jī)械性能檢測，為實(shí)際生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)由于水頭相當(dāng)高，部分岔支管的徑厚比已超出規(guī)范中規(guī)定的：當(dāng)450<R(R)<540時(shí),elp0.2D>486，即6<D2.1%范圍內(nèi)的要求，其管壁厚度對應(yīng)如下圖：

心1門&Ge=J6C!=40心1門&Ge=J6C!=40B迢40其中A錐直徑變化為1.6m?1.773m,B、C錐直徑變化均為1.773m?1.2m，很明顯小口的比例已經(jīng)達(dá)到3.3%，較大地超過了規(guī)范要求。當(dāng)鋼板冷卷或壓制成瓦片時(shí)，由于冷加工硬化和應(yīng)變時(shí)效作用,使管壁材料的硬度和強(qiáng)度提高,而塑性和韌性下降。從而降低鋼管抗脆性斷裂和抗疲勞斷裂的能力,使鋼管整體承載能力下降。由于應(yīng)變時(shí)效作用對鋼材性能的不良影響,鋼板冷卷成型的適應(yīng)性成為高水頭電站壓力鋼管選材,工藝制定,運(yùn)行管理的重要限制因素。鑒于此種情況,在鋼板購買時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)的鋼材強(qiáng)度等級選用寶鋼生產(chǎn)的B610CF調(diào)質(zhì)鋼,針對不同爐號、不同批號的鋼板分門別類的進(jìn)行了拉伸、沖擊、彎曲、硬度等機(jī)械性能試驗(yàn),并對在岔支管中其徑厚比最大的管節(jié)（支管中直徑為900mm，板厚為32mm,〃D=32/900=3.56）在卷制成形后對瓦片進(jìn)行應(yīng)變時(shí)效敏感性以及瓦片組裝的焊接接頭的力學(xué)性能試驗(yàn)研究,測定各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，以考察是否能滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求；對岔管中的肋板和殼板之間的組合焊縫模擬實(shí)際生產(chǎn)中的拘束情況進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，并對肋板進(jìn)行Z向拉伸試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均在生產(chǎn)之前進(jìn)行，并全部一次性合格。在實(shí)際施工中，嚴(yán)格按照已合格的工藝進(jìn)行施工。這樣為實(shí)際施工既提供了合格的工藝，又奠定了基礎(chǔ)。施工中嚴(yán)格把關(guān)，為工程質(zhì)量保駕護(hù)航由于電站設(shè)計(jì)水頭高達(dá)725m，整條管線均設(shè)計(jì)均為B610CF的高強(qiáng)鋼材質(zhì)，其制作、安裝施工過程中質(zhì)量要求相當(dāng)嚴(yán)格，被譽(yù)為本標(biāo)段核心部分的岔支管制作安裝則成了重中之重，每一道工序均嚴(yán)格按照《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（DL/T5017-2007）執(zhí)行：1、劃線切割：在劃線以及標(biāo)注編號等方面都采用油漆進(jìn)行噴涂，禁止采用鋸、鑿子或鋼印等損傷母材的工具進(jìn)行施工，下料全部采用數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行切割，根據(jù)現(xiàn)場的施工條件，將坡口都用砂輪機(jī)打磨光滑（對于殼板和肋板的組合焊縫的坡口對裝時(shí)再根據(jù)實(shí)際情況開制）。2、 冷壓成型：由于鋼材徑厚比超標(biāo)比較嚴(yán)重且自身的強(qiáng)度高，本次岔支管均采用800t壓力機(jī)進(jìn)行冷壓成型，并將母線之間的距離均勻控制到100mm，這樣既能夠保證產(chǎn)品外觀的均勻性，又在一定程度上將內(nèi)部的材料晶界間的殘余應(yīng)力進(jìn)行平衡、削峰。3、 對裝：由于前期工藝采用了電腦三維模擬，錐管均以完整的錐管進(jìn)行下料、卷制，將卷制成型的錐管按照設(shè)計(jì)角度和實(shí)際產(chǎn)品相結(jié)合進(jìn)行相截，這樣即可以將管節(jié)按照設(shè)計(jì)角度進(jìn)行拼對，又可以將對接（組合）焊縫調(diào)整到最佳狀態(tài)。4、 焊接：對裝工序施工完畢后即進(jìn)入到最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)—焊接。對于本次的焊接我部已經(jīng)在生產(chǎn)之前按照擬定的焊接工藝做了焊接接頭的相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，并取得一次性的合格，故在實(shí)際施工中嚴(yán)格按照擬定的焊接工藝規(guī)程執(zhí)行。焊縫往往是整個(gè)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，在本次壓力鋼管制作、安裝過程中其材料配臵選用大西洋生產(chǎn)的CHE607焊條，和母材強(qiáng)度一致。并嚴(yán)格按照規(guī)范要求和擬定的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行施工，對焊前的預(yù)熱、層間溫度以及焊接后的保溫都嚴(yán)格按照施工措施執(zhí)行。管壁上的所有焊縫均按照一類縫進(jìn)行100%無損探傷，并增加了表面裂紋檢查項(xiàng)目。經(jīng)過施工過程質(zhì)量控制的層層把關(guān)，施工質(zhì)量能以書面的形式留下記錄，這即為工程質(zhì)量保駕護(hù)航，又為質(zhì)量的可追溯性提供有力的保障。3、自制平板悶頭的精密計(jì)算此次水壓試驗(yàn)的壓水強(qiáng)度為11.5MPa，試驗(yàn)范圍不僅僅是岔管，還連著兩條支管和兩個(gè)球閥，試驗(yàn)壓力之高是我們從未經(jīng)歷，其試驗(yàn)范圍也與常規(guī)水壓試驗(yàn)有所不同。上游悶頭直徑為1.6m,其最大承受壓力將達(dá)到2311t,由于壓制球形悶頭受到制造工藝及加工設(shè)備原因的限制，我部在這次試驗(yàn)中設(shè)計(jì)為平板悶頭，形式如下圖。并特對上游悶頭強(qiáng)度和剛度進(jìn)行計(jì)算（悶頭制作時(shí)按照設(shè)計(jì)壓力9.2x1.5=13.8MPa,校核時(shí)取14MPa）校核結(jié)果均滿足要求。

確保無異?，F(xiàn)象后方可進(jìn)行加壓；加壓過程]|NI'd考慮到水壓試驗(yàn)上游管節(jié)的設(shè)計(jì)長度比較短，悶頭后面大量肋板焊接后對管壁的影響比較大，我部此次專門增加了一節(jié)和上游管節(jié)材質(zhì)、直徑和厚度一樣的鋼管作為悶頭的“外套”，這樣一方面可以將整體的強(qiáng)度增加，另外還可以減少大量肋板和管壁焊接后的對管壁造成的不良影響。確保無異?，F(xiàn)象后方可進(jìn)行加壓；加壓過程]|NI'd4、水壓試驗(yàn)全過程監(jiān)控岔管安裝焊接并驗(yàn)收合格后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，根據(jù)工地的現(xiàn)有情況，采用已投入使用的消防用水進(jìn)行無壓注水，待排氣管路有持續(xù)的水流出時(shí)關(guān)閉進(jìn)水管閥門，停止注水；同時(shí)進(jìn)行全面檢查焊縫位臵、封板有無重大變形、按照總壓力的百分比取整數(shù)進(jìn)行采用梯級式加壓，根據(jù)情況分為8個(gè)階段分別為0?2MPa,2?4MPa,4?6MPa,6~8MPa,8?9MPa,9?10MPa,10?llMPa,11?11.5MPa其中第1、2、3、4、5、6升壓臺階保壓10min，第7、8升壓臺階保壓30min（整個(gè)循環(huán)過程見下圖），并將壓力增長速度控制在0.05MP/min（即一個(gè)小時(shí)內(nèi)壓力上升保持在3MPa內(nèi)）。在保壓過程中密切監(jiān)視壓力變化，對試驗(yàn)管道進(jìn)行全面檢查，包括百分表的數(shù)據(jù)變化分析、岔管管壁和焊縫表面以及內(nèi)部缺陷產(chǎn)生的聲發(fā)射源監(jiān)控、岔管管殼和肋板最大應(yīng)力測試等。確保無異常后方能進(jìn)入到下一個(gè)試壓壓力，當(dāng)進(jìn)入到最高壓強(qiáng)11.5MPa后保壓半個(gè)小時(shí)并全面檢查再緩慢泄壓。4.1百分表監(jiān)測百分表共監(jiān)測5個(gè)部位，分別是岔管上游悶頭、兩支管穿墻處以及兩個(gè)球閥處。結(jié)果數(shù)據(jù)顯示在水壓上升到6MPa時(shí)其悶頭處管節(jié)、支管穿墻管處在鋼管徑向方向有微量的膨脹，悶頭上游和球閥處監(jiān)控的軸線方向均無變化。此種方法簡單明顯，可作為岔管加壓過程中的參考數(shù)據(jù)。4.2聲發(fā)射監(jiān)控聲發(fā)射是指材料局部能量的快速釋放而發(fā)出彈性波的現(xiàn)象。材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)理。這種直接變形和斷裂機(jī)理有關(guān)的彈性波源為典型的聲發(fā)射源。通過對聲發(fā)射源的采集和分析，對材料的運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合的評價(jià)。這種檢測技術(shù)是一種動態(tài)非破壞的檢測技術(shù)，可提供缺陷隨荷載、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息，適合于在線監(jiān)控及早期或臨近破壞預(yù)報(bào)，可解決常規(guī)無損檢測方法所不能解決的問題，為材料的安全運(yùn)行提過科學(xué)的數(shù)據(jù)。本次采用德國引進(jìn)的AMSY-4型全數(shù)字多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀。依據(jù)GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評定方法》，在岔管水壓試驗(yàn)過程（升壓、保壓）中，對岔管的月牙肋兩側(cè)的組合焊縫、主錐管環(huán)縫的管壁、焊縫表面和焊縫中已存在缺陷活性進(jìn)行監(jiān)控檢測，確定聲發(fā)射源的部位并對其進(jìn)行等級評定，為岔管水壓試驗(yàn)的安全實(shí)施提供保障；若聲發(fā)射源信號強(qiáng)度大于80dB，并且在升壓和保壓過程都有該聲發(fā)射源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T18182-2000《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價(jià)方法》，判定該聲發(fā)射源為強(qiáng)活性，這時(shí)應(yīng)立即停止水壓試驗(yàn)。用其他無損檢測方法來定性該信號源，判斷是不是危害性缺陷。若為危害性缺陷，應(yīng)排除后再進(jìn)行水壓試驗(yàn)。結(jié)果顯示：整個(gè)岔管在水壓試驗(yàn)過程中其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的個(gè)別活性缺陷均處于穩(wěn)定狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的運(yùn)行無隱患作用。應(yīng)力測試本次采用電測法測試應(yīng)力變化。利用水下應(yīng)變片貼于布臵在焊縫位臵150mm的測點(diǎn)上，當(dāng)岔管在水壓作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其應(yīng)變片電阻值隨著所受機(jī)械變形（伸長或縮短）的變化而發(fā)生變化象，變化值和應(yīng)變片粘貼的構(gòu)件表面的應(yīng)變成正比,最后通過測量電路和轉(zhuǎn)換儀器顯示于電腦顯示屏。根據(jù)鋼岔管結(jié)構(gòu)實(shí)際情況，共布臵測試點(diǎn)41個(gè)（合計(jì)單向應(yīng)變片41只）。其中測試點(diǎn)35個(gè)（管壁測點(diǎn)34個(gè)，月牙肋測點(diǎn)1個(gè)），補(bǔ)償測點(diǎn)6個(gè)。主要設(shè)臵于岔管主錐環(huán)向一圈和與月牙肋平行的的部位。結(jié)果顯示：在各個(gè)沖水加壓的不同階段對35個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行綜合分析，在加壓至11.5MPa時(shí)，最大測點(diǎn)應(yīng)力值為200.61MPa，位于鋼岔管右側(cè)腰線上，主岔與支岔連接線附近。所有測點(diǎn)應(yīng)力值都處于材料允許應(yīng)力范圍內(nèi)，綜合判定，在11.5MPa壓力下，鋼岔管的應(yīng)力狀況為安全。5、結(jié)語經(jīng)過精心策劃、合理施工以及