塔貝拉水電站超大型岔管群水壓試驗(yàn)

金 勝，岳 廷 文，萬 天 明

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 機(jī)電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 工程概述

塔貝拉水電站位于巴基斯坦開伯爾-普什圖省境內(nèi)的印度河干流上，其引水壓力鋼管由原電站舊的4#泄洪洞改建而成。主管直徑13 m，通過4個(gè)岔管將主管分為3趟、直徑7.5 m的發(fā)電支管和2趟、直徑8 m的泄洪管。水壓試驗(yàn)為4個(gè)超大型岔管聯(lián)合水壓試驗(yàn)，岔管材質(zhì)均為610 N/mm2級(jí)高強(qiáng)鋼07MnMoVR；其中F、G岔管為三梁月牙肋岔管，C、D岔管為卜形貼邊鋼岔管。岔管安裝單元內(nèi)管節(jié)的最大吊裝單元重量為61 t，月牙肋最大吊裝單元為45 t，水壓試驗(yàn)岔管本體重量為2 301.8 t，水壓試驗(yàn)悶頭及過渡錐的重量為257.6 t，注滿水后水體總重量約為15 000 t。主管最大直徑13 m，最高工作水頭1.634 MPa，試驗(yàn)壓力為2.4 MPa。殼板厚度為46～60 mm，月牙肋厚度為150 mm。

2 試驗(yàn)的目的及作用

通過水壓試驗(yàn)對(duì)岔管安全進(jìn)行驗(yàn)證，以確保壓力鋼管的可靠運(yùn)行及安全；同時(shí)，對(duì)壓力鋼管岔管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與施工的合理性、正確性、可靠性及鋼管材料的性能、焊縫質(zhì)量及穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證并改善管體缺陷處的受力狀況。在緩慢加載的條件下，缺陷尖端發(fā)生塑性變形，卸載后岔管產(chǎn)生預(yù)壓壓力。

3 水壓試驗(yàn)壓力值的確定

根據(jù)ASCE設(shè)計(jì)手冊(cè)以及設(shè)計(jì)院上報(bào)給監(jiān)理工程師的設(shè)計(jì)計(jì)算書，該電站最大運(yùn)行工況壓力值為1.634 MPa。設(shè)計(jì)手冊(cè)規(guī)定的最大水壓試驗(yàn)壓力值應(yīng)達(dá)到該值運(yùn)行工況壓力值的1.5倍，即2.475 MPa?？紤]到水壓試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，最終執(zhí)行的壓力值為2.4 MPa。經(jīng)計(jì)算，在水壓試驗(yàn)工況下，岔管的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)力值已經(jīng)非常接近岔管的屈服強(qiáng)度，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，為了防止安全風(fēng)險(xiǎn)，在水壓試驗(yàn)過程中采用了聲發(fā)射監(jiān)控及對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，以防止在水壓試驗(yàn)過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)。

4 水壓試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

(1)岔管群主管及支管端頭均預(yù)留了加工長(zhǎng)度200 mm，水壓試驗(yàn)完成后，切除預(yù)留的加工長(zhǎng)度。

(2)岔管焊縫檢查并實(shí)施防腐處理完畢且驗(yàn)收合格。

(3)岔管3個(gè)支管、2個(gè)泄洪管、上游主管悶頭安裝完成并經(jīng)探傷檢驗(yàn)合格。

(4)在13 m主管預(yù)留的增加長(zhǎng)度上設(shè)置進(jìn)水管、排氣管、底部設(shè)置排水管。

(5)岔管支墩設(shè)計(jì)：岔管水壓試驗(yàn)的支撐按照?qǐng)D1所示的位置澆筑，支墩混凝土“卡”在兩道加勁環(huán)之間并在加勁環(huán)之間填充泡沫板，以保證混凝土澆筑完畢進(jìn)行岔管水壓試驗(yàn)時(shí)岔管縱向及環(huán)向能自由收縮。岔管混凝土在水壓試驗(yàn)完畢不拆除，只清除加勁環(huán)與支墩混凝土之間的泡沫板，可考慮在拆除泡沫板的地方預(yù)埋灌漿管。過渡錐底部的臨時(shí)支墩在水壓試驗(yàn)完成后予以拆除。

計(jì)算依據(jù)鋼管管床6 m(沿軸線左右各3 m)的范圍布置條墩，條墩采用混凝土澆筑，與鋼管管壁貼合，澆筑237 m2(圖1，支墩投影)面積，水體及岔管自重為138 000 kN，因此可以計(jì)算出對(duì)混凝土支撐的壓力P=138 000 000 N/237 000 000 mm2=0.582 N/ mm2，該壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于混凝土能承受的壓力。該部位澆筑的混凝土為C25，其每mm2能承擔(dān)的壓力值為25 N。

圖1 水壓試驗(yàn)布置圖

(6)岔管悶頭：在岔管上游制作過渡錐管，由13 m管徑變?yōu)? m管徑。通過三維有限元建模計(jì)算，過渡錐、加強(qiáng)環(huán)及岔管直段的整體應(yīng)力為 344 MPa，大于 Q345C 材料的允許應(yīng)力(310 MPa)，但低于材料的屈服強(qiáng)度(345 MPa)。從計(jì)算結(jié)果看，在“需要加強(qiáng)處”設(shè)置環(huán)形加強(qiáng)梁，該環(huán)形加強(qiáng)梁采用 Q345C 材料，環(huán)厚度為60 mm、高度為1 000 mm 作為加強(qiáng)梁(內(nèi)伸 500 mm)，對(duì)過渡錐與岔管直段進(jìn)行加強(qiáng)連接，該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)能滿足水壓試驗(yàn)材料的強(qiáng)度要求。但為增加梁的安全性，需要在其兩側(cè)增設(shè)加強(qiáng)肋板，將梁與兩側(cè)管壁連接成整體，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，提高其安全裕度。

安裝、焊接最后一個(gè)悶頭封焊焊縫時(shí)開設(shè)單面坡口，在主縫焊接完成后，通過該悶頭的進(jìn)人門洞進(jìn)入到該位置內(nèi)部，刨背縫清根并焊接，在焊縫焊接完成后，封焊進(jìn)人門洞。進(jìn)人門洞焊接時(shí)需要在其背部貼一圈背板后焊接。

(7)水壓試驗(yàn)監(jiān)測(cè)：安裝百分表17只，其中每個(gè)岔管需安裝4只，在上游過渡錐管位置安裝1只，另外3只均布安裝在管體其它位置。主管頂部固定布置4個(gè)鋼板尺，用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)其向上的位移變化情況。

(8)岔管各部位及監(jiān)測(cè)設(shè)備、壓力表安排專人進(jìn)行監(jiān)視并記錄。

(9)排氣孔使用φ114無縫鋼管，管壁厚度大于8 mm；進(jìn)水孔及排水孔使用φ273無縫鋼管及閥門；排氣孔、進(jìn)水孔、排水孔需要增加相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)板，補(bǔ)強(qiáng)板外徑為500 mm，板厚36 mm，材質(zhì)為Q345。

(10)各閥門在安裝前必須進(jìn)行水壓試驗(yàn)，以保證萬無一失。充水試驗(yàn)前，對(duì)管道進(jìn)行一次全面檢查，排查其質(zhì)量和安全隱患。對(duì)各類焊縫、鋼管球閥、各類閥門及其附件等進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)并要求達(dá)到合格，保證其不漏水、閥門開關(guān)靈活可靠。

(11)水壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)對(duì)參與水壓試驗(yàn)的所有人員做現(xiàn)場(chǎng)交底。試驗(yàn)過程中禁止任何人員正對(duì)悶頭、焊縫、排水管口、排氣管口，所有施工人員必須處在安全區(qū)域。加壓過程需緩慢進(jìn)行且密切監(jiān)控壓力變化。 由于本次水壓試驗(yàn)管內(nèi)儲(chǔ)水量大，充水、放水時(shí)必須設(shè)置4人及以上值守并定時(shí)觀察管道和排水管路情況，防止一旦爆管等突發(fā)情況人員能及時(shí)規(guī)避或緊急疏散逃離等。

5 岔管群水壓試驗(yàn)裝置的配備

考慮到岔管群在不同應(yīng)力情況下水壓的增加對(duì)應(yīng)力的影響不同，在實(shí)施岔管水壓試驗(yàn)時(shí)的不同階段使用不同數(shù)量及不同型號(hào)的水泵。

6 水壓試驗(yàn)程序

(1)充水前檢查閥門并擰緊；在充水過程中，水壓試驗(yàn)注水全過程需要有專人控制。①當(dāng)充水達(dá)到50%時(shí)，靜置1 h，全面檢查支墩無異常；②繼續(xù)充水至100%。在整個(gè)充水過程中，全面檢查支墩無異常；③若有異常，必須立即停止注水，全面檢查并排除險(xiǎn)情，繼續(xù)充水；④充水時(shí)必須將上游端的排氣孔打開，以利于充水過程將管內(nèi)的空氣排出。充水到排氣孔冒出水時(shí)充水結(jié)束，關(guān)閉進(jìn)水閥門，靜置10 min，再進(jìn)行充水，反復(fù)三次，關(guān)閉排氣孔；⑤水壓試驗(yàn)的水溫為常溫，4月份做水壓試驗(yàn)時(shí)其環(huán)境水溫約為30 ℃；⑥引向打壓泵水箱的水管流量需要滿足3 m3/h以上，水管內(nèi)徑應(yīng)大于50 mm。

(2)加壓：壓力管道充滿水后，全面檢查焊縫位置、悶頭有無重大變形、滲漏水現(xiàn)象。岔管水壓試驗(yàn)壓力值按照合同規(guī)定為2.4 MPa。岔管水壓試驗(yàn)加壓和保壓要求按照1.2 MPa、1.6 MPa、2.2 MPa、2.4 MPa進(jìn)行，其保壓時(shí)間分別為15 min、20 min、45 min、120 min。在各打壓階段分別記錄各百分表數(shù)據(jù)。

當(dāng)鋼管的壓力值達(dá)到階段規(guī)定保壓值時(shí)，需要穩(wěn)壓等待5 min后檢查其讀數(shù)，觀察壓力表指針讀數(shù)，讀取百分表數(shù)字；檢查有無可見的異常變形移位(安裝百分表檢查)、混凝土有無裂縫、支墩有無異常變位、有無異常的聲響并詳細(xì)記錄漏水情況和發(fā)生的異常變形移位部位。若無異常情況，則以0.05 MPa/min的加壓速度升至試驗(yàn)壓力。全面檢查焊縫有無漏水的情況；記錄百分表讀數(shù)；記錄頂部鋼板尺讀數(shù)的變化；保壓120 min，若無異常，水壓試驗(yàn)完成。

(3)應(yīng)力測(cè)試：根據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)力計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力分布情況，水壓試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)試應(yīng)變片布置要求為：①根據(jù)岔管的受力特征，岔管應(yīng)力測(cè)試的重點(diǎn)及危險(xiǎn)部位為鈍角區(qū)、銳角區(qū)、肋板旁管殼區(qū)。月牙肋板處、岔管直徑變化過渡區(qū)、悶頭和過渡錐管段亦應(yīng)布置部分測(cè)點(diǎn)。②應(yīng)力值變化平緩的線段上測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)相對(duì)較少；應(yīng)力值變化明顯、應(yīng)力梯度較大的部位測(cè)試點(diǎn)布置應(yīng)相對(duì)較多。

本次壓力鋼岔管群水壓試驗(yàn)共布置應(yīng)力測(cè)點(diǎn)數(shù) 39個(gè)，其中 19個(gè)三向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)、20個(gè)雙向應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)，均布置在岔管外壁。三向應(yīng)變片主要布置在鋼岔管群的月牙肋兩側(cè)和腰線上管殼環(huán)縫(折線)附近。

(4)排水：水壓試驗(yàn)完成后，首先通過兩臺(tái)打壓泵卸壓，當(dāng)排氣孔位置壓力降低至常壓時(shí)，打開排氣孔，然后打開排水閥門排水。

7 結(jié) 語

塔貝拉水電站超大型岔管群在“裸露”狀態(tài)下順利通過水壓試驗(yàn)，在水壓試驗(yàn)中未見岔管、悶頭有滲水情況，支撐結(jié)構(gòu)無變形移位。最高水壓為2.4 MPa，保壓后岔管并無異常變形、滲漏等情況發(fā)生，充分說明材料、工藝、過程控制等技術(shù)指標(biāo)滿足要求。因此，在本次水壓試驗(yàn)最大水壓狀況下，鋼管得到了足夠的設(shè)計(jì)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足鋼管運(yùn)行各種工況的質(zhì)量安全要求。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)岔管制作及安裝技術(shù)的研究通常僅限于直徑10 m以下且大多數(shù)基本以獨(dú)立岔管為研究對(duì)象。國(guó)內(nèi)外對(duì)于岔管群的水壓試驗(yàn)也均為直徑較小、支管功能較單一、岔管數(shù)目較少、岔管管節(jié)之間距離較大的普通中小型岔管群。塔貝拉水電站岔管群屬于上下游管徑差比較大，岔管群重量重(約為2 300 t，充滿水后總重約為14 000 t)，單個(gè)岔管形體大，支管中既有發(fā)電支管，又有泄洪管。塔貝拉水電站壓力鋼管超大型岔管群水壓試驗(yàn)的成功，可為同類工程提供技術(shù)借鑒。

塔貝拉水電站岔管群水壓試驗(yàn)具有的特點(diǎn)：(1)多悶頭及過渡錐聯(lián)合運(yùn)用、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超大型岔管群水壓試驗(yàn)比較少見，塔貝拉水電站岔管悶頭直徑大、數(shù)量多，岔管本體結(jié)構(gòu)直徑更是號(hào)稱為在壓力鋼管岔管中的世界第一；(2)使用2臺(tái)打壓泵。在不同時(shí)段使用不同功率的打壓泵，高壓時(shí)使用功率相對(duì)較小的泵，以減小水壓快速波動(dòng)對(duì)岔管管壁的影響；(3)應(yīng)力測(cè)試及聲發(fā)射監(jiān)控的使用，為岔管水壓試驗(yàn)安全提供了保障。