超大型高强钢岔管整体水压试验及应力测试技术.pdf

91超大型高强钢岔管整体水压试验及应力测试技术黄少奇李名坤/中国水利水电第十二工程局有限公司【摘 要】本文以周宁抽水蓄能电站工程为例，阐述了两只8 0 0 MPa级超大型高强钢对称Y形月牙肋岔管的整体联合水压试验及所涉及的焊接残余应力测试、结构应力测试、变形测试、水量一压力测试和温度测试的过程，并对测试数据进行分析，检验了钢岔管的整体质量，为钢岔管的安全运行提供了技术支撑。【关键词】高强钢岔管联合水压试验应力测试技术一引言周宁抽水蓄能电站钢岔管钢材采用8 0 0 MPa级高强钢。钢岔管整体尺寸大，不便整体运输，在制造厂卷制瓦片并预组装合格后，将瓦片用汽车运输至工地，然后岔管拼装成整体，在现场进行岔管的总拼、焊接及探伤工作。两只超大型高强钢岔管制作完成，经检查符合设计要求后，进行整体联合水压试验，以验证其制造质量，并为钢岔管的安全运行提供技术支撑。2工程概况福建周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县境内，为I等大（1）型工程，枢纽建筑物包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房和地面开关站等，为日调节抽水蓄能电站。电站安装4台单机容量为3 0 0 MW的可逆式水轮发电机组，设计年发电量12 亿kWh，年平均抽水耗电量16 亿kWh。主要开发任务为发电，承担福建电网的调峰、填谷、调频、调相及备用等任务，必要时为华东电网提供支持，承担紧急事故备用等任务。根据工程布置，考虑地质条件，水力条件，体形设计，运输条件和制作安装等因素，岔管采用对称Y形内加强月牙肋型钢岔管。电站在地下厂房上游约6 3.45m处设有2 个引水钢岔管，将2 条引水主管分岔为4条高压钢支管。钢岔管主管直径为5.4m，支管直径为3.8 m。钢岔管分岔角7 0，公切球半径3.0 51m，为主管半径的1.13倍。岔管钢材采用宝钢产HD780CF高强度800MPa级钢材，管壳厚度为6 2 mm，月牙肋厚度为132mm，设计内水头（含水击压力）7 6 0.9m（7.46 MP a），HD值高达40 3 7 mm。3水压试验目的、内容及控制要点宝钢集团有限公司生产的8 0 0 MPa级钢板经哈尔滨电机厂有限责任公司和中国水利水电第十二工程局有限公司分别经下料、锥管瓦片卷制、焊缝拼装、焊缝焊接等一系列工序过程而形成对称Y形钢岔管。在借助机械力使瓦片达到所需拼装弧度，钢岔管码缝和焊接变形控制过程中，会使钢岔管内应力呈现复杂状态。安装前采取相应的检测手段进行水压试验，以便验证钢岔管服役的安全稳定性能。3.1水压试验目的通过水压试验能够达到以下五个方面的目的：检验钢岔管制作及焊接施工质量，验证结构的安全稳定性能；消除钢岔管的部分尖端应力并使尖状缺陷钝化，防止缺陷扩张，保证钢岔管安全运行；找出应力分布规律，并与有限元分析计算成果相互印证；将水压试验过程中应力测试成果，与运行期钢岔管原型观测的应力监测成果进行对比，分析钢岔管应力分布规律；对比前后焊接残余应力测试，评价水压试验消除焊接残余应力的效果。3.2试验内容试验主要内容包括水压试验前后的焊接残余应力测试、结构应力测试、变形测试、水量-压力曲线测试、92地基与基础处理工程岔管内水温测试。3.3试验控制要点考虑岔管与临时闷头焊接的影响，单个钢岔管1个主管口和2 个支管口共计3 节钢管管口切割裕量长度不小于10 0 m，割除后余留的管节长度满足施工图纸的规定。引水钢岔管拼焊完成后，进行尺寸检验和焊缝外观检验，无损检测后方可进行水压试验。2个岔管均需做水压试验，试验时2 个岔管主管对接，4个支管设置临时闷头，形成密闭容器。水压试验完成后，钢岔管整体运至引水隧洞进行安装。水压试验充水前，对钢岔管拼装焊接时的工卡具、临时支承件、支托等可能改变岔管约束边界条件的设施解除约束，保证岔管在无约束的状态下进行试验；对钢岔管上的焊疤、划痕等缺欠进行修补打磨，并进行全面检查。整个岔管水平卧放于若干个鞍形支架上，岔管最低点离地6 0 cm。支架与铺在地面的钢板平台连接，确保足够的刚性。其中支管的4个鞍形支架用聚四氟乙烯板垫在钢板平台上，以保证水压试验时能自由位移。保证打压设备、试验管路及其附属设备处于正常使用和安全状态，并编制相应的安全措施。为确保试验过程中压力测试的可靠性，安装2 只压力表，同时显示试验压力。试验压力及稳压时间按相关技术要求的规定执行，并按规定在相应的压力下进行测试。水压试验相关监测仪器考虑温度补偿，监测成果相应进行修正。水压试验前、后均对所有焊缝进行外观检查和无损探伤。水压试验压力大，在试验进行前，做好安全措施和应急预案，并对全体参加岔管水压试验人员进行安全技术交底，避免发生突发性事故造成人员伤亡和财产损失。4水压试验过程水压试验整体分为7 个阶段，分别为准备、充水、预试验、水压试验、排水、残余应力测试、试验结束。4.1试验场布置钢岔管拼装场位于进厂交通洞洞口东侧，岔管拼焊作业完成后在岔管拼装场进行岔管水压试验及应力测试现场布置。2个钢岔管和4个半球形临时闷头在拼装场组焊完成后，形成平卧状态，置于鞍形支座上，在进行尺寸检验、焊缝外观检验和无损检测之后进行水压试验。4.2水压试验准备工作水压试验前做好管路布置、压力仪器仪表架设、应力测试仪器布置、变形测试仪器布置和其他各项测试的准备工作。水压试验管道具体包括注水管路、打压管路、排水管路和排气管路。管道安装采用氩弧焊接，焊缝经PT检测合格后对整个打压管路进行一次打压试验，检查管路是否有爆管、漏水、变形现象。需要特别注意的是，排气管路内部端口需要分别限位在2 个钢岔管内部的最高点，以便于排尽钢岔管内的空气，减小试验压力值偏差。4.3水压试验测试内容水压试验主要进行5项测试：焊接残余应力测试、结构应力测试、岔管变形测试、水量-压力测试和水压试验过程中岔管内水温度测试。4.3.1焊接残余应力测试焊接残余应力测试采用压痕应变法进行，其原理是采用电阻应变片作为测量用敏感元件，在应变花中心部位采用冲击加载制造压痕，通过应变仪记录压痕区外弹性区应变增量的变化，从而获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力的大小。该方法测量时，其测点布置于钢岔管主管环缝、支管环缝、肋旁焊缝，共布置6 个测试区域。其中4个测点区域位于管壁内侧，2 个测点区域位于管壁外侧，每个区域布置2 个测点。4.3.2结构应力测试结构应力测试采用电测法，其原理是以电阻应变计为传感元件，将其粘贴在被测构件的测点处，使其随同构件变形，将构件测点处的应变转换为电阻应变计的电阻变化，便可确定测点处的应变，进而按胡克定律得到其应力。根据内加强月牙肋型钢岔管的受力特征，岔管应力测试的重点部位为钝角区、肋旁管壳区和月牙肋板处，主管标准圆断面和支管标准圆断面亦布置部分测点。管壳测点在内外壁对应布置，以掌握薄膜应力和局部弯曲应力。月牙肋板上测点管内布置在靠近内缘的侧面，管外布置在月牙肋板的外缘。管壳对称面上布置双向应变计，非对称面布置三向应变花，肋板布置单向应变计。因岔管结构上下对称，结合试验现场钢岔管的实际状态，测点集中布置在钢岔管主管和右侧支管的下半部分。初始状态，1号岔管和2 号岔管主管对接，4个支管与闷头焊接，形成密闭容器，水平卧放于鞍形支座上，管内冲水排气完毕，内水压力为OMPa。加压过程以不大于0.0 5MPa/min的速度进行，每升压0.5MPa，保压10 min。逐级升压至最大试验压力5.1MPa。记录每1MPa压力下，各测点的应力值。93超大型高强钢岔管整体水压试验及应力测试技术4.3.3岔管变形测试岔管变形测试借助直线位移传感器进行。传感器布置在岔管外侧的腰部、顶部、底部及月牙肋腰部、顶部、底部处，采集压力加载过程中的位移变化数据。传感器支架需具备一定的抗弯性，不能与岔管接触。4.3.4水量-压力测试水压试验加压及卸压时，采用定量容器进行进、出水量的测量，按照压力等级的对应关系记录进、出水量。试验完毕绘制水压试验水量-压力曲线。4.3.5水压试验过程中岔管内水温度测试试验过程中水温采用内置高压防水温度传感器进行监测，将温度传感器预先装入岔管内部，通过专用出线装置将信号输出，显示于温度显示器界面。4.4水压加载水压试验加载程序分为两个阶段，分别是预压试验阶段和水压试验阶段。两个阶段均采用重复逐级加载，缓慢增压的方式进行压力加载。逐级加载，缓慢增压可以削减部分残余应力，使局部应力均化，趋于稳定。预压试验前，先进行钢岔管的焊接残余应力测试，进行预压试验可以检查钢岔管及试验管路的密封情况以及各种监测设备的运行情况。进行水压试验过程中，每个稳压阶段需对钢岔管及监测设备进行检查，稳定正常情况下方可继续进行。4.5水压试验数据分析4.5.1水压试验前、后焊接残余应力数据分析通过对水压试验前后获取的焊接残余应力数据进行图表化分析对比，其中。表示沿水流方向（垂直于环缝方向）应力，表示垂直于水流方向（平行于环缝方向）应力。可以看出钢岔管的焊接残余应力在水压试验后得到一定程度的调整和均化，主要是呈下降趋势，如图1所示。水压试验前值四水压试验后，值一线性（水压试验前值）70060050040030020010001-11-22-12-23-13-24-1 4-25-15-26-16-2测点编号图1水压试验前后。，残余应力条形对比图4.5.2水压试验钢岔管结构应力数据分析水压试验加压过程中，各测点应力数据与压力等级呈良好的线性关系，各测点数据实时反映了钢岔管应力变化情况，为加压过程的安全进行提供数据支持。钢岔管内、外壁测点的数据与岔管结构应力的分布规律一致。在最大试验压力5.1MPa时，2 个钢岔管的最大应力值出现在同一个位置（主管与支管焊接环缝近月牙肋位置附近），1号钢岔管结构的最大应力值为3 8 7.11MPa，2号钢岔管结构的最大应力值为43 4.52 MPa，均低于设计的抗力限值444.1MPa；两个钢岔管月牙肋最大应力的位置均位于月牙肋宽度最大的腹部位置，1号钢岔管月牙肋最大应力值为2 0 9.8 8 MPa，2 号钢岔管月牙肋最大应力值为197.4MPa，低于设计的抗力限值3 7 5.8 MPa。所以钢岔管的结构强度满足设计要求。4.5.3水压试验钢岔管结构位移数据分析在最大试验压力5.1MPa时，1号岔管结构的最大位移点位于右支管腰部测点，最大位移量为一3.47 7 mm；2号钢岔管结构的最大位移点位于月牙肋腰部测点，最大位移量为一3.57 mm，这2 个测点的线性分析近似于图2 所示。水压试验过程中，钢岔管的位移量较小，且2 个钢岔管的位移-压力关系图均呈现良好的线性关系，说明整个水压试验过程，岔管处于弹性变形状态。水压试验压力值/MPa01234560.0/-0.5线性相关系数R=0.99937-1.0一1.5-2.0-2.5-3.0-3.5线性拟合线一一B4测点位移值一4.0图21号岔管测点最大位移数据线性分析4.5.4水压试验水量-压力数据分析2个钢岔管的进、出水量与压力的线性分析效果近似，如图3 所示，两者的线性相关系数均达到0.99993。这表明水压试验加压与卸压过程中，2 个钢岔管水量与压力呈良好的线性关系，岔管在水压试验过程中处于良好的弹性变形状态，也显示出水压试验加压与卸压工作效果良好。4.5.5水压试验钢岔管内水温度数据分析水温监测数据见表1。可以看出，整个水压试验过程，岔管内水压力由OMPa增加至5.1MPa，水温呈现下降趋势，但变化量仅为3.6 6。表明在钢岔管正常服役过程中因水压变化而导致的温度变化较小，不会对钢岔管产生不良影响。94地基与基础处理工程一水压试验进水量数据1800一一一线性拟合线1600140012001000800600400200线性相关系数R=0.99993010123456试验压力值/MPa图3水压试验进水量-压力线性分析表1水压试验内水温度监测数据压力/MPa0123455.1温度/20.2819.95 19.4518.8817.6716.7316.625水压试验结论通过对比水压试验前后钢岔管的残余应力，发现对应测点的残余应力均呈下降趋势，钢岔管残余应力得到一定程度的调整。水压试