雷海生,揭云麗

(1.云南招標(biāo)股份有限公司,昆明 650031；2.中化二建集團(tuán)有限公司云南分公司,昆明 650106)

文章編號：1006—2610(2015)01—0081—04

水電站壓力鋼管岔管制作與水壓試驗(yàn)

雷海生1,揭云麗2

(1.云南招標(biāo)股份有限公司,昆明 650031；2.中化二建集團(tuán)有限公司云南分公司,昆明 650106)

詳細(xì)介紹了水電站壓力鋼管岔管制作與水壓試驗(yàn)的具體方法，通過試驗(yàn)過程的外觀檢查和試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)成果進(jìn)行綜合分析，從科學(xué)角度論證施工質(zhì)量，達(dá)到確保工程質(zhì)量和安全運(yùn)行的目的。

壓力鋼管;岔管;制作;水壓試驗(yàn)

1 工程概況

SNJ水電站位于云南省普洱市墨江哈尼族自治縣BL鄉(xiāng)、SNJ鄉(xiāng)和NH鄉(xiāng)境內(nèi)。電站的工程等別為Ⅱ等大(2)型工程，永久性主要建筑物等級為2級、永久性次要建筑物等級為3級、臨時(shí)性建筑物等級為4級；電站以發(fā)電為主，采用跨流域、混合式開發(fā)。水庫正常蓄水位900.000 m，裝機(jī)容量201 MW(3×67 MW)，總庫容2.46億m3。

電站壓力管道為圓形斷面，深埋式鋼襯鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用了“四平三豎”的總體方案。供水主管及支管的總長度分別約為895、310 m，供水管道系統(tǒng)主要由主管、岔管及支管聯(lián)合組成，主岔管和支岔管采用了“一分二”的月牙岔型式。壓力管道的設(shè)計(jì)水頭為420 m，采用的布置型式為“一管三機(jī)”。

2 岔管制作及質(zhì)量控制

2.1 劃線放樣和下料

根據(jù)設(shè)計(jì)文件按照圖紙要求直接在待加工的鋼板上進(jìn)行劃線，放樣應(yīng)保證精度，尺寸公差應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并考慮焊接的收縮量、合理利用材料。下料切割使用半自動氧-乙炔切割機(jī)進(jìn)行。作業(yè)過程中，遵循以下原則對岔管鋼板進(jìn)行分塊。

(2) 岔管管節(jié)的頂、底母線和腰線與縱縫所夾的中心角應(yīng)≥15°，二者間距(指弧長)一般≥300mm。

岔管鋼板坡口和切割加工的制作工藝應(yīng)符合劃線極限偏差所明確的內(nèi)容，具體情況見表1。

表1 鋼板劃線的極限偏差表

2.2 坡口及邊緣加工

為了使焊縫的厚度達(dá)到圖樣規(guī)定的尺寸或獲得全焊透的焊接接頭，接縫的邊緣應(yīng)按厚度和焊接工藝方法加工成“不對稱雙V形”或“不對稱X形”。

2.3 鋼板卷制

鋼板卷制加工采用3 000mm×80mm三輥筒卷板機(jī)(水平下調(diào)式)進(jìn)行，兩下輥可同時(shí)或單獨(dú)水平移動，上輥可單獨(dú)上下升降運(yùn)動，可以一次性完成從預(yù)彎端部到卷圓整個(gè)系列工序。卷制過程中分多次成型，控制一次下壓量不應(yīng)過大，卷板工藝流程示意圖見圖1。非完整圓部分采用卷板機(jī)多次多點(diǎn)位分別卷制。

圖1 卷板加工制作過程示意圖

2.4 焊接、組焊及質(zhì)量控制

焊接前首先將鋼管半成品進(jìn)行定位、校正，之后進(jìn)行清潔處理，主要是把擬焊坡口及擬焊面兩側(cè)各50～100mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹、氧化皮及其它雜物清除干凈。焊口采用固定的遠(yuǎn)紅外線加熱器、煤氣噴燈、電加熱器等進(jìn)行預(yù)熱。使用表面溫度計(jì)對焊縫周圍的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，每條焊縫兩側(cè)的測量點(diǎn)應(yīng)≥3對。通常在距離焊縫中心線兩側(cè)的50mm處對稱布置監(jiān)測點(diǎn)，測量寬度一般為3倍鋼板厚度的范圍且≥100mm。多層焊接時(shí)應(yīng)錯開層間接頭，拆除斷弧、引弧助焊板時(shí)不得損傷母材，拆除后應(yīng)打磨修整殘留焊疤使之與母材表面齊平。雙面焊接時(shí)，在單側(cè)焊接后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)清理并將焊疤打磨干凈，然后再繼續(xù)焊另外一面。同時(shí)，采用附加引弧和斷弧用的助焊板進(jìn)行縱縫焊接，定位焊的斷弧和引弧應(yīng)在坡口內(nèi)進(jìn)行作業(yè)。在焊接作業(yè)前首先確定焊接順序，然后選定定位焊焊點(diǎn)，再從構(gòu)件受周圍約束較大的部位開始焊接，向約束較小的部位推進(jìn)，從而達(dá)到減小收縮應(yīng)力和變形的目的。

岔管的焊接、整體組裝都在加工廠內(nèi)完成，焊接成型后的各項(xiàng)尺寸要求應(yīng)符合表2的規(guī)定。

表2 球形岔管組焊后尺寸極限偏差表

球形岔管的幾何尺寸與球殼板曲率的極限偏差應(yīng)滿足表3、4的規(guī)定。

表3 曲線率(球殼板)極限偏差表

表4 幾何尺寸(球殼板)極限偏差表

如果岔管尺寸受到交通運(yùn)輸界限限制的時(shí)候，可以先在加工廠內(nèi)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求組裝成盡可能大的部件，然后在加工廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)組裝后再分件分次運(yùn)送至施工現(xiàn)場進(jìn)行總體組裝焊接。組裝后的岔管腰線轉(zhuǎn)折角偏差應(yīng)≤2°。在此之前，岔管組合焊接后應(yīng)在加工廠內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力消除處理。

3 水壓試驗(yàn)

3.1 岔管特性

本工程采用WHT590高強(qiáng)鋼制作岔管，岔管位于主鋼管道下游側(cè)，分別設(shè)置1個(gè)支岔管、1個(gè)主岔管，岔管型式為內(nèi)加強(qiáng)月牙肋型，岔管特性見表5。

表5 岔管特性表

3.2 試驗(yàn)悶頭

根據(jù)施工現(xiàn)場實(shí)際情況，借鑒以往岔管水壓試驗(yàn)的成功經(jīng)驗(yàn)，本次試驗(yàn)將主岔管與支岔管焊接連為一體后進(jìn)行整體性水壓試驗(yàn)。悶頭為半圓形內(nèi)悶頭，鋼板厚度δ=60mm，鋼板材質(zhì)為日本SM570TQT鋼材。悶頭外面布置進(jìn)人孔、排氣孔、進(jìn)水孔和測試儀器等。悶頭通過專門加工制作的湊合節(jié)與岔管焊接在一起，組成本次試驗(yàn)的主體，見圖2。

圖2 主支岔管結(jié)構(gòu)平面示意圖

3.3 測點(diǎn)布置及測量儀器

應(yīng)變測點(diǎn)可以布置在主管標(biāo)準(zhǔn)圓斷面上，但應(yīng)重點(diǎn)布置在月牙肋板、肋管殼區(qū)和折角區(qū)等關(guān)鍵部位，布置情況見圖3。試驗(yàn)人員使用千分表通過目測讀值監(jiān)測變形情況。

圖3 應(yīng)變測量點(diǎn)布置示意圖

3.4 水壓試驗(yàn)?zāi)康募皦毫Φ倪x定

鑒于本項(xiàng)目高水頭壓力鋼管岔管所采用的鋼板材質(zhì)為WHT590高強(qiáng)鋼，且目前中國已建成水電站壓力鋼管道工程采用的較少，根據(jù)設(shè)計(jì)文件有關(guān)要求對其質(zhì)量、應(yīng)力變形消除等性能進(jìn)行原型水壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)主要目的有：① 為了保證電站壓力管道的正常安全運(yùn)行，需掌握岔管各部位、特別是關(guān)鍵部位的應(yīng)力變形及分布情況；② 為了檢查結(jié)構(gòu)整體的安全性能，通過超載內(nèi)壓的方法使結(jié)構(gòu)缺陷充分暴露；③ 水壓試驗(yàn)時(shí)可以使得不連續(xù)部位的峰值應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力達(dá)到屈服，并在試驗(yàn)退壓后消減；④ 緩慢加載時(shí)，可以使得缺陷尖端發(fā)生塑性變形直至鈍化，壓力卸載后可以產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

岔管試驗(yàn)是在露天明管的條件下進(jìn)行的，而工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)，岔管為地下埋管。為了使本次壓力試驗(yàn)更具操作性和科學(xué)性，按照設(shè)計(jì)文件的有關(guān)要求，將試驗(yàn)最大壓力水頭設(shè)置為525m(設(shè)計(jì)水頭為420m)，即設(shè)計(jì)壓力的1.25倍設(shè)計(jì)水頭。

Pmax=420 m×1.25×0.01 MPa/m=5.25 MPa

將試驗(yàn)壓力設(shè)置為以下4個(gè)(水壓試驗(yàn)的壓力變化(減壓/加壓)速度為0.05MPa/min)：

P1=2 MPa;P2=3 MPa;

P3=4.2 MPa;P4=5.25 MPa

3.5 水壓試驗(yàn)步驟

水壓試驗(yàn)前對現(xiàn)場進(jìn)行全面安全檢查，排除各種安全隱患、危險(xiǎn)物，對可能發(fā)生的危險(xiǎn)事件制定緊急預(yù)案，以保證試驗(yàn)的安全進(jìn)行。

① 首先向岔管注水，并打開排氣閥門將內(nèi)部空氣全部排盡，直至水流穩(wěn)定溢出，保證岔管內(nèi)部完全被水充滿；② 使用壓力泵連續(xù)向岔管加壓注水，直至壓力達(dá)到P1(2MPa)，保持該壓力10min后全面檢查岔管的變形情況。③ 在上一階段正常的情況下，使用壓力泵繼續(xù)向岔管加壓注水，直至壓力達(dá)到P2(3MPa)，保持該壓力10min后全面檢查岔管的變形情況；④ 在上一階段正常的情況下，使用壓力泵繼續(xù)向岔管加壓注水，直至壓力達(dá)到P3(4.2MPa)，保持該壓力30min后全面檢查岔管的變形情況。使用重量不大于0.5kg的橡膠錘或木錘在焊縫兩側(cè)15～20mm及管壁處輕輕敲擊，觀察壓力表指針讀數(shù)、記錄應(yīng)變值，觀察管內(nèi)壓力的穩(wěn)定性，檢查焊縫有無滲水等現(xiàn)象及其它異常情況；⑤ 在上一階段，即工作壓力P3(4.2MPa)無異常情況下，繼續(xù)注水加壓直到試驗(yàn)壓力P4(5.25MPa)時(shí)并保持該壓力30min，按照上一步驟的程序和內(nèi)容進(jìn)行測試檢查；⑥ 將岔管壓力降至工作壓力P3，并在維持此壓力的情況下對岔管進(jìn)行詳細(xì)檢查。每個(gè)試驗(yàn)壓力段均觀察和記錄岔管的漏水情況，并在⑤、⑥步驟測試應(yīng)力變形情況；⑦ 依次降壓至P2、P1直至岔管內(nèi)壓力為零，觀察和記錄岔管的漏水和測點(diǎn)變形情況。P-t曲線，即壓力-時(shí)間曲線，見圖4。

圖4 壓力-時(shí)間曲線圖(P-t曲線)

3.6 試驗(yàn)結(jié)果

各測點(diǎn)的變形隨著給水壓力的增大而增大，當(dāng)給水壓力達(dá)到最大值時(shí)發(fā)生最大變形，具體變形情況見表6。

表6 典型測試點(diǎn)的變形統(tǒng)計(jì)表

通過分析可以發(fā)現(xiàn)：主岔管腰部4、5號測點(diǎn)向外膨脹，肋板底部2號測點(diǎn)和頂部3號測點(diǎn)向內(nèi)收縮，說明主岔管的頂部及底部應(yīng)力值較大，其次是支岔管的10、11號測點(diǎn)所處的部位。處于悶頭部位的1、7～9號測點(diǎn)由于在實(shí)際運(yùn)行中不存在，其變形值此處不作為定量分析使用，只作參考。

WHT590高強(qiáng)鋼的屈服極限δs≥490MPa，安全系數(shù)取1.25～1.54，則安全范圍內(nèi)的允許壓力為δ=350～392MPa。通過虎克定律計(jì)算后，4、5號測點(diǎn)應(yīng)力值δ≈310MPa，10、11號測點(diǎn)應(yīng)力值δ≈360MPa，其它監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力值均未超出300MPa。所有測點(diǎn)應(yīng)力值均在岔管鋼板安全運(yùn)行允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

將水壓試驗(yàn)成果進(jìn)行整理并分析，進(jìn)一步驗(yàn)證：作用在主岔管肋板上的應(yīng)力值比較小，并且岔管的最大應(yīng)力值在360MPa以內(nèi)，主岔管與支岔管在項(xiàng)目建成后的發(fā)電運(yùn)行中是安全可靠的；用于本工程的岔管焊接與制作質(zhì)量達(dá)到國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，滿足設(shè)計(jì)要求。岔管的制作及水壓試驗(yàn)方案可供同類工程借鑒，有一定的參考價(jià)值。

[1]GB713-2008，鍋爐和壓力容器用鋼板[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]DB50766-2012,水利水電工程壓力鋼管制作安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2007.

[3]DL/T5141-2001，水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2003.

[4] 李志剛,朱大林.保康寺坪電站壓力鋼管岔管焊接質(zhì)量控制[J].科技信息,2011,(29)：I0176.

[5] 渠述達(dá).高強(qiáng)鋼月牙肋岔管制作與安裝工藝[J].云南水力發(fā)電,2008,(2)：41-43.

[6] 徐天堯.WDB620高強(qiáng)鋼的性能及在高橋電站鋼管上的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電,2004,(3)：53-56.

[7] 童保林.昭通高橋電站鋼岔管設(shè)計(jì)及水壓試驗(yàn)[J].云南水力發(fā)電,2004,(3)：25-27.

[8] 馬振遠(yuǎn)，陳復(fù)州.引子渡水電站壓力鋼管分岔管制作安裝與質(zhì)量控制[J].大壩與安全,2004,(2)：54-56.

[9] 黃長平，郭明星.大型弧形鋼閘門制作變形控制技術(shù)[J].水電與新能源,2013,(3)：60-66.

[10] 曾競.高橋電站壓力鋼管制造安裝[J].云南水力發(fā)電,2004,(3)：57-61.

[11] 張金斌.超高水頭水電站岔管布置及水壓試驗(yàn)[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2012，(3)31-33.

[12] 朱琪何.壓力鋼管安裝焊接過程的變形分析[J].創(chuàng)新科技,2013，(5)：83-83.

[13] 羅亞松，羅代明.不管河三級水電站卜形鋼岔管設(shè)計(jì)及水壓試驗(yàn)[J].水力發(fā)電,2006,(10)：106-109.

[14] 伍鶴皋.內(nèi)加強(qiáng)月牙肋鋼岔管水壓試驗(yàn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2008,(5)：35-39.

Bifurcated Penstock Manufacturing and Hydrostatic Test

LEI Hai-sheng1, JIE Yun-li2

(1.Yunnan Tendering Co., Ltd., Kunming 650031, China;2. Yunnan Branch, China Chemical Engineering Second Construction Corporation, Kunming 650106, China)

The specific methods for the bifurcated penstock manufacturing and hydrostatic tests are described in the paper. By appearance inspection during the tests and based on the test data, the manufacturing quality is demonstrated scientifically, realizing the purposes of securing the engineering quality and safety operation.

penstock; bifurcated penstock; manufacturing; hydrostatic test

2014-08-07

雷海生(1978- )，男，山東省陽谷縣人，高級工程師，主要從事水利水電工程項(xiàng)目管理與咨詢工作.

TV732.4+1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.021