超高水頭水電站岔管布置及水壓試驗(yàn)

張金斌 謝麗華 成 莉

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 杭州 310002）

1 前言

云南省多底河電站系目前已建的亞洲第三高水頭的水電站，電站位于在云南省楚雄州大姚縣三臺鄉(xiāng)境內(nèi)金沙江一級支流多底河中上游，壩址位于流域中段三臺鄉(xiāng)多底河村下游約1km，壩址以上集水面積為 94km2。水庫正常蓄水位為2115.0m，設(shè)計(jì)洪水位（P=2%）為2116.0m；校核洪水位（P=0.5%）為 2117.19m，壩頂高程2118.0m，水輪機(jī)安裝高程為1138.2m，正常蓄水位靜水頭為976.8m。電站裝機(jī)容量2×20MW。工程總體布置為：在多底河干流上游修建攔河壩，由岸塔式進(jìn)水口將水流引入發(fā)電引水隧洞，隧洞末端設(shè)置調(diào)壓井，水流再經(jīng)壓力鋼管進(jìn)入水輪發(fā)電機(jī)組，按一管兩機(jī)布置。

壓力管道順?biāo)鞣较蛞来斡啥磧?nèi)外包混凝土管、洞內(nèi)明管、露天明管、露天外包混凝土鋼管、下部洞內(nèi)外包混凝土管組成。壓力管道主管直徑D=1.2～1.0m，主管管壁厚8～34mm，材料根據(jù)不同水頭段分別采用16MnR 鋼和15MnNbR鋼。管線水平投影全長（調(diào)壓井中心至岔點(diǎn)）為1987.25m，實(shí)際長度為2263.4m。

2 岔管布置及板材選擇

2.1 岔管布置方案

按照電站裝設(shè)兩臺機(jī)方案，岔管按Y 型對稱岔管對稱布置。岔管采用60°分岔角的Y 型岔管，主管內(nèi)徑1000mm，主錐岔連接管后的鋼管內(nèi)徑650mm，岔管公切球內(nèi)徑1300mm，岔管處設(shè)計(jì)靜水頭977.0m，岔管HD 值達(dá)1270m2，岔管HD值較大。岔管部分的平面布置見圖1。

圖1 岔管平面布置圖

2.2 岔管結(jié)構(gòu)分析

在初步設(shè)計(jì)完成后，對岔管采用ALGOR FEAS大型有限元通用程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，岔管模型圖及應(yīng)力云圖見圖2—圖6.

圖2 岔管模型圖

圖3 運(yùn)行工況外表面應(yīng)力σv

圖4 運(yùn)行工況內(nèi)表面應(yīng)力σv

圖5 水壓試驗(yàn)工況外表面應(yīng)力σv

圖6 水壓試驗(yàn)工況肋板應(yīng)力σv

（1）根據(jù)有限元計(jì)算,主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1：

表1 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總表

表中σv按下式計(jì)算：

（2）計(jì)算結(jié)果表明，各工況應(yīng)力能滿足要求。

（3）由應(yīng)力圖可知，在主錐與支錐相交處及兩個支錐相交處有一些應(yīng)力集中現(xiàn)象。

（4）本岔管的計(jì)算結(jié)果在Z 向具有良好的對稱性，岔管本體部位應(yīng)力情況復(fù)雜多變，遠(yuǎn)處則應(yīng)力分布趨于均勻，說明管長已取足夠長。

（5）岔管除近主錐與支錐相交處，應(yīng)力分布較均勻。說明邊界約束影響較小，計(jì)算范圍合理。

2.3 岔管材料的選擇

通過對國內(nèi)外多種適用鋼材進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)的綜合分析比較，并結(jié)合壓力鋼管道下段所采用15MnNbR 鋼板，最終決定岔管采用強(qiáng)韌性優(yōu)良、屈強(qiáng)比適中、抗時效性良好、彎曲性能良好、焊接裂紋敏感性低的 15MnNbR 板材。尤其對于110mm 厚的肋板，要求檢驗(yàn)厚度方向性能，并符合Z25 要求。岔管板材的具體參數(shù)為：岔管肋板厚度110mm，各管節(jié)壁厚34～52mm。

3 岔管焊接試驗(yàn)及焊縫處理

3.1 岔管的焊接試驗(yàn)及工藝

由于多底河水電站采用的15MnNbR 容器鋼首次用于水電站壓力管道，沒有施工經(jīng)驗(yàn)。15MnNbR 容器鋼為一種高韌度的正火容器鋼，其屈服強(qiáng)度為 370MPa，抗拉強(qiáng)度約為 520～650 MPa。其碳當(dāng)量較高，可焊性較低，焊接時需要嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度、焊后后熱溫度、保溫時間、層間溫度及線能量輸入等工藝參數(shù)，否則易產(chǎn)生焊接缺陷。本岔管體型復(fù)雜，為了保證電站壓力管道的安全運(yùn)行,預(yù)先進(jìn)行了板厚28、34mm焊接工藝評定試驗(yàn)和焊接性能試驗(yàn)，確保了焊接質(zhì)量。

最終采用以下焊接工藝：焊前應(yīng)清理坡口及邊緣處油銹污物；焊前預(yù)熱溫度為100～120℃；焊接后作“除應(yīng)力退火”后熱處理；后熱溫度為250～350℃，保溫2 小時緩冷；焊接層溫控制在100～150℃；反面采用碳棒氣刨清根后按相同工藝再焊。焊縫返修微小缺陷處理更要求嚴(yán)格執(zhí)行焊前預(yù)熱、焊后后熱及保溫等工藝措施，防止缺陷出現(xiàn)。

3.2 岔管焊縫的無損檢驗(yàn)

在生產(chǎn)性施焊之前，為了確保該工程的焊接質(zhì)量，對材料進(jìn)行了焊接性能試驗(yàn)，通過多組試驗(yàn)，探索易產(chǎn)生冷裂紋的焊接工藝，然后進(jìn)行施工。

制定了嚴(yán)格的無損檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即所有焊縫作100%外觀檢查后，按GB11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》進(jìn)行100%超聲波探傷，并按GB3323《金屬熔化焊焊接接頭射線照相》進(jìn)行了50%的射線探傷抽檢，抽檢部位應(yīng)覆蓋所有焊縫交叉部位。所有焊縫表面均進(jìn)行50%滲透探傷抽檢。焊縫返修部位采取同時進(jìn)行超聲波探傷、射線探傷及滲透探傷復(fù)驗(yàn)。

3.3 消應(yīng)處理

因岔管采用15MnNbR 容器鋼，鋼材強(qiáng)度較高，施焊時可能出現(xiàn)較高的焊接應(yīng)力，按規(guī)范要求岔管等形狀特殊的構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

在設(shè)計(jì)時采用不等板厚設(shè)計(jì)，施工中嚴(yán)格控制其熱加工成型管節(jié)鋼板厚度及焊接工藝，同時考慮到岔管制作完成后，將進(jìn)行原型水壓試驗(yàn)，在這一過程中焊接的峰值應(yīng)力也會削弱。焊接完成后采用無損探傷檢查及排查，發(fā)現(xiàn)有局部焊接缺陷，及時進(jìn)行處理，最后進(jìn)行岔管消應(yīng)處理。

4 岔管原型水壓試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

鑒于本工程首次將15MnNbR 鋼用于壓力管道岔管的制作,為了檢查岔管結(jié)構(gòu)的整體安全度，考核岔管材料及焊接質(zhì)量，并對岔管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性評價，按照規(guī)范要求，對岔管原型進(jìn)行水壓試驗(yàn)。同時，通過水壓試驗(yàn)時的同步應(yīng)力監(jiān)測，了解岔管各部位特別是一些重要部位的應(yīng)力分布及變形情況，為電站壓力管道的安全運(yùn)行提供技術(shù)保障，也為今后其它工程提供技術(shù)依據(jù)及經(jīng)驗(yàn)。

4.2 水壓試驗(yàn)壓力的選定

本工程岔管按不計(jì)及圍巖抗力的地下埋藏式岔管設(shè)計(jì)，水壓試驗(yàn)為明岔管水壓試驗(yàn)。鑒于兩者在工作狀態(tài)上的不同，采用岔管設(shè)計(jì)工作承壓11.72MPa 的1.25倍(即14.72MPa)作為最大試驗(yàn)壓力，同時控制試驗(yàn)中最大應(yīng)力值不超過220MPa。

4.3 岔管原型應(yīng)力監(jiān)測布置

進(jìn)行岔管水壓試驗(yàn)時，同步采用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行了岔管原型應(yīng)力監(jiān)測。應(yīng)變計(jì)測點(diǎn)布置如圖7 所示。岔管外壁及月牙肋加強(qiáng)梁的主應(yīng)力方向比較明確，岔管外壁布設(shè)6 個應(yīng)變花測點(diǎn)，月牙肋1/4 跨度及中部均并行布設(shè)單向應(yīng)變計(jì)。

圖7 岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)變片布置

X為沿岔管內(nèi)水流的方向，Y為沿圓周方向。

根據(jù)廣義虎克定律，應(yīng)變與應(yīng)力的物理關(guān)系如下：

單向應(yīng)變計(jì)：

直角三向應(yīng)變：

進(jìn)行岔管水壓試驗(yàn)時，采用無線應(yīng)變測量系統(tǒng)實(shí)時量測并記錄各測點(diǎn)的應(yīng)變值，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得到各測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值。

4.4 水壓試驗(yàn)過程

在岔管卷制焊接完成后,所有焊縫經(jīng)嚴(yán)格無損檢測符合驗(yàn)收要求后，岔管進(jìn)行消應(yīng)處理。岔管采用圓型堵頭封閉（堵頭封閉焊縫經(jīng)超聲波探傷合格），開始水壓試驗(yàn)。

岔管設(shè)計(jì)工作承壓11.72MPa，設(shè)計(jì)水壓試驗(yàn)最大壓力14.7MPa。水壓試驗(yàn)加載及卸載步驟：

水壓試驗(yàn)在岔管注滿水之后，先采用電動壓力泵機(jī)打壓至約2.0MPa 后，采用手動試壓泵緩慢升壓。在前三個持壓階段，保壓30min，在后兩個持壓階段保壓15min。岔管水壓試驗(yàn)監(jiān)測應(yīng)力見表2。

表2 岔管水壓試驗(yàn)監(jiān)測應(yīng)力（MPa）

4.5 試驗(yàn)結(jié)論

從表2 分析比較可以看出：

（1）岔管外壁的應(yīng)力測試數(shù)據(jù)，符合岔管在水壓試驗(yàn)受力狀態(tài)下應(yīng)力分布的規(guī)律，并與岔管內(nèi)水壓力呈線性關(guān)系。

（2）岔管實(shí)測最大應(yīng)力210MPa，小于材料容許應(yīng)力，岔管受力有較大的安全裕度。

5 結(jié)語

多底河水電站已經(jīng)順利建成并發(fā)電,壓力鋼管也已正常投入運(yùn)行。 實(shí)踐證明：根據(jù)樞紐布置設(shè)計(jì)的岔管體型合理；采用結(jié)構(gòu)力學(xué)法進(jìn)行應(yīng)力分析和控制性定量結(jié)構(gòu)計(jì)算,可以滿足設(shè)計(jì)要求；15MnNbR 容器鋼在岔管應(yīng)用中效果良好。

（1）在岔管水壓試驗(yàn)的各保壓階段，水壓表均有效持壓；岔管及圓形堵頭各處未發(fā)現(xiàn)任何滲漏現(xiàn)象及其它異?，F(xiàn)象。

（2）岔管水壓試驗(yàn)原型應(yīng)力觀測表明：應(yīng)力數(shù)據(jù)符合岔管在水壓試驗(yàn)受力狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律，并與岔管內(nèi)水壓力呈線性關(guān)系。岔管實(shí)測最大應(yīng)力210MPa 小于容許應(yīng)力，岔管受力有較大的安全裕度。

（3）岔管重復(fù)水壓試驗(yàn)，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均能良好復(fù)現(xiàn)，無任何異常；水壓試驗(yàn)卸載后，經(jīng)對岔管焊縫復(fù)驗(yàn)UT 探傷，未發(fā)現(xiàn)缺陷擴(kuò)展的跡象。

1 DL/T5017—2007 水電水利工程壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范.北京：中國電力出版社.2007。

2 余建華.采用15MnNbR 容器鋼制造超高水頭電站特型鋼岔管的工程實(shí)踐.華電技術(shù)，2011.

3 電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊：金屬結(jié)構(gòu)（一）、（二）.北京：水利電力出版社，1998.

4 劉細(xì)龍，陳福榮.閘門與啟閉設(shè)備.北京：中國水利水電出版社，2003.

5 余建華.高厚度15MnNbR 鋼的焊接.浙江水利水電?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010（9）.