800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管水壓試驗(yàn)

黃斌

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410004）

800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管水壓試驗(yàn)

黃斌

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410004）

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材料（B780CF）制造，這是國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材料在水電站鋼岔管項(xiàng)目的首次應(yīng)用。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)及鋼材的可靠性和安全性，對(duì)鋼岔管進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測(cè)試、工作應(yīng)力測(cè)試和變形測(cè)試。本文簡(jiǎn)單介紹了鋼岔管的水壓試驗(yàn)流程，并重點(diǎn)介紹了工作應(yīng)力測(cè)試方案，為同類岔管的制造提供了依據(jù)。

800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼；岔管；應(yīng)力測(cè)試；水壓試驗(yàn)

1 前言

呼和浩特抽水蓄能電站鋼岔管選用國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材料（B780CF）制造，這是國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼材料在水電站鋼岔管項(xiàng)目的首次應(yīng)用。該岔管采用對(duì)稱“Y”型內(nèi)加強(qiáng)月牙肋結(jié)構(gòu)，主管直徑4.6m，支管直徑3.2m，最大公切球直徑5.2m，分岔角70°，岔管最大外形尺寸約為6.07m×7.10m×5.51m，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力9.06MPa。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)及明試驗(yàn)?zāi)康模畨涸囼?yàn)最高壓力按9.06MPa設(shè)定，并重復(fù)二次。

2 水壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置

岔管水壓試驗(yàn)采用封頭與岔管連接，水壓試驗(yàn)完成后，將封頭切割。岔管制造時(shí)需要在進(jìn)出水口（長(zhǎng)度方向）預(yù)留300mm焊接熱影響區(qū)余量，水壓試驗(yàn)后切割除。水壓試驗(yàn)采用12MPa的電動(dòng)加壓泵，按照試驗(yàn)大綱要求，逐步升壓。試驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖1。

圖1 水壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置圖

3 水壓試驗(yàn)工作流程

根據(jù)試驗(yàn)流程，水壓試驗(yàn)前首先是岔管悶頭焊接、管路布置、儀器儀表架設(shè)、打壓及保溫措施準(zhǔn)備、焊接殘余應(yīng)力測(cè)試和其它各項(xiàng)測(cè)試的準(zhǔn)備工作，水壓試驗(yàn)過(guò)程中完成各項(xiàng)測(cè)試工作。工作程序如圖2。

圖2 測(cè)試工作程序圖

3.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

為了保證水壓試驗(yàn)的順利進(jìn)行，首先根據(jù)設(shè)計(jì)文件、合同及設(shè)計(jì)圖樣等技術(shù)要求，編制岔管水壓試驗(yàn)方案、水壓試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)與人員配備、水壓試驗(yàn)檢測(cè)記錄表等有關(guān)試驗(yàn)技術(shù)文件，報(bào)設(shè)計(jì)、監(jiān)理等審批后執(zhí)行并進(jìn)行試驗(yàn)。

岔管的主要試驗(yàn)設(shè)備為電動(dòng)加壓泵：采用三臺(tái)YZ4DY70/16型電動(dòng)試壓泵作為主加壓設(shè)備，輔以配套管路和相應(yīng)的檢測(cè)儀器儀表及3個(gè)試壓悶頭。

壓力鋼管岔管在安裝位置安裝、焊接，探傷合格后，將悶頭吊裝就位，焊接岔管與悶頭的對(duì)接焊縫，探傷合格后即開(kāi)始進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水源為現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)供水系統(tǒng)，采用軟管取水。打壓完成后，利用軟管將水沿廠房排水溝排出。

檢查岔管的支撐加固情況，由于水壓試驗(yàn)時(shí)，荷載比較大，必須保證支撐的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

按岔管水壓試驗(yàn)原理圖，準(zhǔn)備好水壓試驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備、管路及專用工器具，將充水閥、排氣閥、泄壓閥、各壓力表組裝就位，檢查打壓設(shè)備、檢測(cè)儀表和管路連接情況。

檢驗(yàn)悶頭的幾何尺寸、進(jìn)水口和排氣口以及焊縫的質(zhì)量。

3.2 試驗(yàn)程序與步驟

（1）利用軟管通過(guò)旁通閥對(duì)岔管進(jìn)行注水，注水的同時(shí)開(kāi)啟悶頭上部的排氣閥進(jìn)行排氣。當(dāng)排氣管上部出水并不再有氣泡時(shí)，注水結(jié)束。

（2）啟動(dòng)電動(dòng)試壓泵逐步向岔管加壓，加壓過(guò)程中隨時(shí)測(cè)量檢查岔管本體及悶頭各焊縫有無(wú)異常，各閥門(mén)及其與岔管連接處是否漏水，若有異常及時(shí)進(jìn)行處理。

（3）水壓試驗(yàn)壓力上升速度不超過(guò)0.05MPa/min，緩慢升至設(shè)計(jì)壓力9.06MPa，保持10min；對(duì)岔管進(jìn)行檢查，若情況正常，繼續(xù)升至試驗(yàn)壓力值11.325MPa，保持5min；再次檢查有無(wú)滲水和其他異常情況，無(wú)異常，經(jīng)監(jiān)理工程師確認(rèn)后利用上部泄壓閥將壓力降至設(shè)計(jì)壓力9.06MPa，保持30min，并用0.5～1.0kg的小錘在岔管的焊縫兩側(cè)各15～20mm處輕輕敲擊，整個(gè)水壓試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滲水和其他異常情況。

（4）試驗(yàn)過(guò)程中如出現(xiàn)泄漏和其它異?，F(xiàn)象應(yīng)立即停止加壓，需要處理時(shí)必須在卸壓后進(jìn)行。

（5）水壓試驗(yàn)升、降壓順利，試驗(yàn)過(guò)程無(wú)異?，F(xiàn)象，經(jīng)各方會(huì)簽后水壓試驗(yàn)結(jié)束。

3.3 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)

水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目包括：內(nèi)水壓力、水溫、變形、管殼及肋板的應(yīng)力應(yīng)變、不同壓力下的進(jìn)水量測(cè)試等。

應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)壓力設(shè)定位移、應(yīng)變警戒值，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在水壓試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)設(shè)置應(yīng)變計(jì)及變形監(jiān)測(cè)儀器，記錄讀數(shù)。監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量及讀數(shù)量應(yīng)能滿足計(jì)算管殼和肋板膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，以及加勁肋附近區(qū)域的局部應(yīng)力的要求。并應(yīng)計(jì)算應(yīng)力，并將成果報(bào)送業(yè)主。

3.4 試驗(yàn)問(wèn)題及處理

（1）明確試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮人員和主要操作人員與檢查人員。

（2）試驗(yàn)加壓前30min，由現(xiàn)場(chǎng)指揮人員召集所有參加試驗(yàn)的人員進(jìn)行試驗(yàn)前技術(shù)交底。

3.5 試驗(yàn)記錄及結(jié)論

壓力鋼管岔管水壓試驗(yàn)嚴(yán)格按照招標(biāo)文件的要求與水壓試驗(yàn)詳細(xì)操作規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，準(zhǔn)確記錄各項(xiàng)過(guò)程和數(shù)據(jù)。

（1）整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢查岔管的滲水和其它異常情況。

（2）水壓試驗(yàn)前后均應(yīng)進(jìn)行較全面的無(wú)損探傷。

（3）水壓試驗(yàn)用監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)位置、數(shù)量應(yīng)報(bào)業(yè)主批準(zhǔn)后實(shí)施。

（4）在水壓試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)設(shè)置應(yīng)變計(jì)及變形監(jiān)測(cè)儀器，記錄讀數(shù)。監(jiān)測(cè)儀器數(shù)量及讀數(shù)量應(yīng)能滿足計(jì)算管殼和肋板膜應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，以及加勁肋附近區(qū)域的局部應(yīng)力的要求。計(jì)算出應(yīng)力，并將成果報(bào)送監(jiān)理及業(yè)主。

（5）水壓試驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度和試壓時(shí)水溫應(yīng)在5℃以上。鋼岔管水壓試驗(yàn)應(yīng)在規(guī)定的壓力值下，重復(fù)兩次試驗(yàn)過(guò)程。

4 水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試

呼和浩特抽水蓄能電站共有2臺(tái)鋼岔管，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行水壓試驗(yàn)。并對(duì)岔管受力的重點(diǎn)部位如岔管的鈍角區(qū)、肋旁管殼區(qū)和月牙肋板處布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，悶頭和連接錐管段根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考慮布置參考測(cè)點(diǎn)。過(guò)程對(duì)鋼岔管進(jìn)行工作應(yīng)力測(cè)試。

4.1 測(cè)點(diǎn)布置

（1）工作片布置

水壓試驗(yàn)過(guò)程結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，岔管內(nèi)外壁對(duì)應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)。其中：

月牙肋板上共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)外各4個(gè)，布置在肋板內(nèi)外緣板厚中間的位置，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一個(gè)單向應(yīng)變計(jì)。

肋板相鄰管壁上共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，內(nèi)外各4個(gè)，水平中心及90°位置布置雙向應(yīng)變計(jì)，15°及30°位置布置一個(gè)三向應(yīng)變計(jì)。

其它管壁上共布置12點(diǎn)，內(nèi)外各6個(gè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置一個(gè)雙向應(yīng)變計(jì)。

錐管過(guò)渡管節(jié)和悶頭上的測(cè)點(diǎn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在背水面布置2～4個(gè)參考測(cè)點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)錐管過(guò)渡管節(jié)和悶頭的受力狀況。

為了便于測(cè)試，在實(shí)際工作時(shí)可以稍做調(diào)整。內(nèi)部測(cè)點(diǎn)與外部測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，內(nèi)部測(cè)試線通過(guò)引線裝置引到管外。

（2）補(bǔ)償片的設(shè)置

岔管內(nèi)、外部各設(shè)3個(gè)補(bǔ)償片（塊）。

4.2 應(yīng)變計(jì)粘貼工藝

（1）根據(jù)布點(diǎn)部位及布片數(shù)量，在岔管上標(biāo)出測(cè)點(diǎn)位置。

（2）將待貼部位用角向砂輪打磨出一個(gè)稍大于應(yīng)變計(jì)面積的平面，再用120#砂布沿45°方向交叉打磨好后，進(jìn)行劃線，然后用丙酮把待貼面清洗干凈。

（3）用無(wú)水乙醇清洗工具、聚四氟乙烯薄膜和待貼的應(yīng)變計(jì)。

（4）將應(yīng)變計(jì)待貼面均勻地涂上502膠，對(duì)準(zhǔn)位置貼上應(yīng)變計(jì)，蓋上聚四氟乙烯薄膜，沿應(yīng)變計(jì)軸向擠出氣泡和多余膠液。

（5）應(yīng)變計(jì)貼上后，常溫下固化4～6h。

（6）檢查應(yīng)變片有無(wú)未貼合處、粘貼層有無(wú)氣泡、絲柵有無(wú)畸形；用萬(wàn)用表檢查有無(wú)短路、斷路。如有以上任何一種情況要鏟去重貼。

4.3 應(yīng)變計(jì)與應(yīng)變儀的連接

（1）用鑷子將應(yīng)變片引線輕輕地拉起。

（2）緊挨應(yīng)變片引線端，用502膠水粘上接線端子。

（3）測(cè)試導(dǎo)線：根據(jù)最遠(yuǎn)測(cè)試部位的距離放線，多點(diǎn)共用一個(gè)補(bǔ)償片時(shí)，工作片和補(bǔ)償片的導(dǎo)線長(zhǎng)度、型號(hào)規(guī)格要相同，每?jī)筛鶎?dǎo)線一組，在每組導(dǎo)線按順序編號(hào)。

（4）用電烙鐵按導(dǎo)線上的編號(hào)，將應(yīng)變片引出線和相對(duì)應(yīng)的每組導(dǎo)線一端分別焊在相應(yīng)的接線端子上。

（5）將每組導(dǎo)線的另一端按順序與應(yīng)變儀接線板插頭連接在一起。

4.4 測(cè)量系統(tǒng)連接

應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)使用前在斷電狀態(tài)下進(jìn)行連接，測(cè)量系統(tǒng)的連接包括PC機(jī)與CM-2B的連接、多臺(tái)CM-2B的連接和應(yīng)變計(jì)與CM-2B的連接。

4.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)如圖3組成，應(yīng)變片及應(yīng)變式傳感器接入CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀（一個(gè)機(jī)箱可接64點(diǎn)）組成完整橋路。16通道A/D卡是16位的高精度模數(shù)變換器，它一端接往CM-2B數(shù)字靜態(tài)應(yīng)變儀，另一端接往計(jì)算機(jī)的USB口或并行口（打印機(jī)端口），計(jì)算機(jī)通過(guò)A/D卡對(duì)CM-2B進(jìn)行控制，同時(shí)采集被測(cè)信號(hào)，進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理。形成較大采集系統(tǒng)，每一機(jī)箱也可獨(dú)立使用。

系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：

應(yīng)變片及應(yīng)變式傳感器接往CM-2B機(jī)箱，組成完整電橋，將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，信號(hào)在應(yīng)變儀內(nèi)經(jīng)過(guò)放大、濾波。按預(yù)先編制的程序，通過(guò)IOC控制CM-2B的測(cè)量點(diǎn)轉(zhuǎn)換，在某時(shí)刻將某測(cè)量點(diǎn)電壓輸出信號(hào)送到ADC轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存、處理、顯示或打印輸出。

4.6 數(shù)據(jù)處理

（1）測(cè)試數(shù)據(jù)采集

圖3 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)組成圖

在聯(lián)機(jī)狀態(tài)下，啟動(dòng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。動(dòng)存入測(cè)量系統(tǒng)的文件包中。各加載循環(huán)過(guò)程中，密切注視應(yīng)力的變化，對(duì)出現(xiàn)應(yīng)力值急劇增加或接近、達(dá)到屈服極限的情況，應(yīng)及時(shí)報(bào)告，停止增壓。

（2）數(shù)據(jù)計(jì)算

在程序中設(shè)置材料組號(hào)、應(yīng)變片類型和材料的彈性模量、泊松比、應(yīng)變片靈敏度系數(shù)、應(yīng)變片電阻值、測(cè)試導(dǎo)線電阻值、屈服極限等參數(shù)后進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值和主應(yīng)力方向。

4.7 測(cè)試報(bào)告

岔管水壓試驗(yàn)完成后，承擔(dān)水壓試驗(yàn)的安裝單位對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)讀的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，評(píng)價(jià)試驗(yàn)鋼岔管的安全性能及施工質(zhì)量，并提交了最終水壓試驗(yàn)測(cè)試成果分析報(bào)告（《壓力鋼管岔管水壓試驗(yàn)報(bào)告》）。

5 結(jié)論

本次鋼岔管水壓試驗(yàn)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行了縝密的試驗(yàn)論證和試驗(yàn)準(zhǔn)備，特別是采用了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)保證了水壓試驗(yàn)的安全進(jìn)行。水壓試驗(yàn)采用半球形封頭，減少了封頭的設(shè)計(jì)厚度，降低了封頭制造成本。半球型封頭與岔管焊接采用單面焊接雙面成型的焊接工藝，節(jié)省了進(jìn)人孔的布置。采用低摩擦材料與可滑動(dòng)式支撐結(jié)合使岔管水壓試驗(yàn)盡可能的保持在無(wú)約束狀態(tài)，減小了外界條件對(duì)水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。本次水壓試驗(yàn)順利通過(guò)了驗(yàn)收，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足并優(yōu)于設(shè)計(jì)及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。本工程水壓試驗(yàn)的成功，代表著國(guó)產(chǎn)800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管在水電領(lǐng)域有了零的突破，打破了800MPa級(jí)高強(qiáng)鋼岔管依靠進(jìn)口的局面。

TG457.11

A

1004-7344（2016）01-0124-02

2015-11-3

黃 斌（1979-），男，工程師，本科，從事水電站大型金屬結(jié)構(gòu)以及壓力鋼管、水輪發(fā)電機(jī)部件制造安裝技術(shù)管理工作。