等径三通岔管水压试验与应力测试结果分析.pdf

1、83第 46 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.46No.9Sep.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言南水北调配套工程大兴支线工程施工第十 标 段，工 程 起 点 为 大 兴 区 刘 家 铺 村 新 机 场水厂分水口，终点为大广高速西侧，桩号范围1+430.0007+260.000，中心导线长约 5.83 km。主要工程内容包括新建 2 条 DN1 800 mm 输水管道，其中明挖段长约 25 724 m，顶管段长 2106 m；新建排气阀井 11 座，连通阀井 1 座，检修阀井

2、2 座，流量计井 1 座，排水阀井 2 座，以及阀井连接路。此标段共 8 个岔管，岔管形式为等径三通，其平面结构如图1 所示。钢岔材质 Q345R，主管、支管壁厚 16 mm，正腰梁、斜腰梁壁厚 36 mm，连接柱直径 120 mm。根据设计图纸要求对该标段岔管进行了水压试验与结构应力测试，岔管设计工作压力为 0.25 MPa。钢岔管具有板材厚、焊缝多、约束度大、受力复杂等结构特点1，在焊接过程中应采取合理的焊接工艺，并依据规范对焊缝质量进行检测。特别是焊接难度较大的连接柱与岔管组合焊缝，应严格按焊接工艺并选择经验丰富的焊工施焊，避免因焊缝问题导致水压试验失败，造成不必要的损失。本次水压试验与

3、应力测试前，岔管所有焊缝均已进行质量检测，且结果均符合规范要求。岔管应力测试与水压试验同步进行，可实时了解岔管在水压试验时结构应力变化情况，试验中，如有测点应力值出现异常现象，应立即停止试验，分析异常现象原因，判定是否可继续试验，确保岔管试验安全2。图 1 钢岔管结构图2 试验目的（1）检验岔管设计合理性、制造可靠性；（2）降低焊接残余应力、均化应力峰值；（3）以超载水压检验岔管整体安全余量；（4）分级加载使缺陷尖端发生塑性变形，钝化缺陷尖部；收稿日期：2023-07-11作者简介：丁高亮（1990-），男，工程师，从事水工金属结构现场质量检测工作。等径三通岔管水压试验与应力测试结果分析丁高亮

4、，柳振华，刘大伟，马彤彤，常方圆（水利部长春机械研究所，吉林 长春 130012）摘 要：水利工程用钢岔管具有板材厚、焊缝多、约束度大、受力复杂等结构特点，其质量的好坏对整个水利工程有重大影响。水压试验不仅可以检验岔管整体设计及制造质量，还可以降低焊接残余应力、钝化结构尖端缺陷。应力测试与水压试验同步进行，实时应力测试数据真实反映了岔管水压试验时应力变化状况，若测试区域应力超出该区域允许应力，应立即停止试验，分析异常现象原因。结果得知，整个试验过程岔管未出现异常现象，为同类型岔管安全运行提供参考。关键词：水利工程；等径三通岔管；水压试验；应力测试中图分类号：TV732.4+3文献标识码：B文章

5、编号：1672-5387（2023）09-0083-04D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.09.02584第 46 卷水 电 站 机 电 技 术（5）了解岔管主要受力部位的应力分布，为其安全运行提供有力保障3。3 试验条件岔管水压试验在厂内进行，3 个管口均采用球形闷头。冲水前将加压系统、排气阀、排水阀、冲水阀、应变测试系统安装完毕，加压管路安装在支管闷头中心部位，2 块精密压力表安装于主管段 2 闷头中心处（根据以往经验，安装 2 块精密压力表是十分必要的，不仅可作为互相参照，还有效避免安装 1块压力表时，因其堵塞、失稳等异常现象引起的试验误判）。岔管除鞍形支撑外

6、，无其他约束。试验水源取地下井水，水量充足，现场环境温度12，水温 12，满足规范要求4。4 试验过程4.1 水压试验过程第 1 次：加压过程，以不大于 0.3 MPa/min 的速度分级加压至工作压力 0.25 MPa，保压 30 min，此时2 块压力表指针稳定，无颤动现象，对岔管整体、所有焊缝和各个阀件进行全面检查；第 2 次：加压过程，使压力到达最大试验压力0.9 MPa，保压 30 min，2 块压力表指针稳定，无颤动现象，对岔管整体、所有焊缝和各个阀件进行全面检查；第 3 次：卸压过程，以不大于 0.5 MPa/min 的速度使压力卸至工作压力 0.25 MPa，保压 30 min

7、，无异常情况，卸除管内压力；第 4 次：卸压过程，将压力卸至初始状态，打开排气阀、排水阀，排空水分，拆除设备，试验结束。4.2 应力测试过程4.2.1 测试设备（1）采用 EY216 无线静态测试系统，其测试原理为电测法，将电阻应变计用特制胶水粘贴在岔管各个测点部位，应变计随岔管变形而变形，产生阻值的变化，通过测试系统将其信号转换放大，获得应变值，进而计算出该测点应力分量。（2）EY216 测试范围为19 999，分辨率 1 ，零漂不大于 2 /h，每台数据采集箱可测 8个测点，每台电脑可控制 256 台数据采集箱，通信接口为 ZigBee 无线通信接口，自动平衡范围 15 000 ，测量结果

8、修正系数范围 0.000 09.999 9，锂电池容量 5 000 mA。（3）采 用 BE120-5AA 型 单 向 电 阻 应 变 计 和BE120-4BB 型双向电阻应变计。4.2.2 测点布置根据等径三通钢岔管本身受力特征、以往经验及现场实际条件，测点主要布置在岔管腰线上典型部位及岔管顶部典型部位。本次共布置 21 个测点，其中双向测点 11 个，单向测点 10 个。测点 1 测点 11、测点 21 位于岔管腰线部位，其余测点位于岔管顶部。由于岔管腰梁部位的典型受力特征，因此，测点 1 测点 3、测点 7、测点 8、测点 16 测点 19 均布置在腰梁不同部位。其中，测点 16 位于正

9、腰梁靠近连接柱上部，测点17位于正腰梁靠近连接柱下部；测点 18 位于斜腰梁 2 靠近连接柱上部，测点 19 位于斜腰梁 2 靠近连接柱下部。为确保水压试验可靠安全，所有测试点均布置在管壁外5。详细布点如图 2 所示。图 2 测点布置图4.2.3 测试工况岔管静态应力测试与水压试验同步实时进行，在岔管内充满水、排气充分且应力测试系统平衡调零后开始升压，在整个过程中实时进行应力测试。5 测试结果与分析5.1 材料允许应力值岔管为 Q345R 钢，岔管管壁板厚为 16 mm（s为 345 MPa），腰梁板厚为 36 mm（s为 325 MPa）。根据 SL/T 281-2020水利水电工程压力钢管

10、设计规范 规定6，焊缝系数 为 0.95，水压试验属于特殊荷载组合，整体膜应力区允许应力 1为 229.4 MPa（0.7s），局部膜应力区允许应力为 3.5rt 以内及转角点处管壁表面 262.2 MPa（0.8s）和腰梁部位85第 9 期丁高亮，等：等径三通岔管水压试验与应力测试结果分析247.0 MPa（0.8s），局部膜应力+弯曲应力区允许应力为 327.8 MPa（1.0s）。5.2 测试结果5.2.1 水压试验测试结果水压试验整个过程中岔管未出现渗气、渗水、异响及焊缝开裂等异常现象7，压力表指针稳定，无颤动现象8，详细结果见表 1。5.2.2 应力测试结果各测点应力分量测试结果见表

11、 2。符号“x”表示顺水流轴向方向，符号“”表示沿圆周环向方向，“r”表示沿直径方向。弹性模量 E=2.06105 MPa，泊松比=0.3。表 1 岔管水压试验结果序号设计压力/MPa水压试验压力表压力/MPa试验时间试验结果10.25表 10.252023 年 3 月 27 日9：4210：12无变形、异响、渗漏表 20.252表 10.902023 年 3 月 27 日10：1810：48无变形、异响、渗漏表 20.903表 10.252023 年 3 月 27 日10：5211：22无变形、异响、渗漏表 20.25表 2 各测点应力分量测试结果测点号应变计类型测点应力区域应力分量值/MP

12、a水压值：0水压值：0.25水压值：0.91r双向应变计局部膜应力区03.7714.741双向应变计局部膜应力区0-3.73-30.762r双向应变计局部膜应力区011.9042.642双向应变计局部膜应力区0-2.45-11.293x双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区04.2813.993双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区014.0451.274单向应变计整体膜应力区07.7527.925单向应变计整体膜应力区07.3026.936x双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区0-1.07-10.816双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区015.6366.317r双向应变计局部膜应力区015.3965.

13、897双向应变计局部膜应力区0-4.63-20.868r双向应变计局部膜应力区01.344.368双向应变计局部膜应力区0-5.30-21.619x双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区0-1.69-9.279双向应变计局部膜应力区+弯曲应力区015.1366.1410单向应变计整体膜应力区09.7463.5311单向应变计整体膜应力区010.8467.6612单向应变计整体膜应力区011.3067.7613单向应变计整体膜应力区03.5142.4414单向应变计整体膜应力区013.0581.7415单向应变计整体膜应力区09.1892.5016r双向应变计局部膜应力区03.8773.1116双向

14、应变计局部膜应力区0-3.7333.7217r双向应变计局部膜应力区0-0.79-4.1717双向应变计局部膜应力区0-3.56-5.9418r双向应变计局部膜应力区010.0941.5418双向应变计局部膜应力区0-2.47-10.5019r双向应变计局部膜应力区0-3.40-14.6019双向应变计局部膜应力区0-3.87-14.7920单向应变计整体膜应力区011.9045.2321单向应变计整体膜应力区08.6134.31岔管典型应力分量实时曲线如图 3 所示，图中可明显看出水压由 0 MPa 升至 0.25 MPa、0.25 MPa升至 0.9 MPa、0.9 MPa 降至 0.25

15、 MPa、0.25 MPa降至 0 MPa 整个过程测点应力分量变化情况。5.3 测试数据分析（1）岔管在加压过程中，整体受拉应力较大。各测点应力分量值与水压变化呈良好的线型关系。应力测试系统稳定可靠且各测试部位均处于弹性变形状态；86第 46 卷水 电 站 机 电 技 术（2）岔管同一应力区对称或平行测点应力分量分布规律及数据均十分接近，各测点准确可靠反映出岔管水压过程结构应力变化情况；（3）岔管管壁整体膜应力区测点均承受拉应力，当压力达到最大试验压力 0.9 MPa 时，岔管整体膜应力区测点应力分量 26.93 MPa92.50 MPa，远低于整体膜应力区允许应力 229.4 MPa；（4

16、）岔管局部膜应力区测点既承受拉应力又承受压应力，除测点 17、测点 19 径向和环向均承受压应力外，其余测点均为径向拉应力、环向压应力，当压力达到最大试验压力 0.9 MPa 时，局部膜应力区各测点应力分量-30.76 MPa73.11 MPa，远低于局部膜应力区允许应力 247.0 MPa；（5）岔管局部膜应力+弯曲应力区测点既承受拉应力又承受压应力，当压力达到最大试验压力0.9 MPa 时，各测点应力分量-10.81 MPa66.31 MPa，远低于局部膜应力+弯曲应力区允许应力 327.8 MPa。6 结语试验过程中岔管未出现渗漏、异响及焊缝开裂现象，且各测点应力分量值均远小于其允许应力

17、，表明等径三通岔管设计合理，制造质量满足要求。等径三通岔管腰部及上壁局部承受应力分量较大，在水压试验过程中及供水系统运行时应加强监测。同时焊缝质量亦是岔管安全运行的重要因素，故在制造和今后的安装过程中，应加强焊接质量控制。参考文献：1关磊，于鹏翔，邱丛威.水电站钢岔管残余应力测试与分析 J.水利技术监督，2021（5）：6-8，79.2胡木生，张伟平，靳红泽，等.水电站压力钢岔管水压试验应力测试 J.水力发电学报，2010，29（4）：184-188.3陈绍英，陈子海.金康水电站岔管水压试验 J.四川水力发电，2011，30（S1）：140-141，154.4中华人民共和国住房和城乡建设部，中

18、华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范：GB50766-2012S.北京：中国计划出版社，2012.5邓小君.钢岔管水压试验的应力测试与分析 J.电焊机，2015，45（8）：214-217.6中国人民共和国水利部.水利水电工程压力钢管设计规范：SL/T281-2020S.北京：中国水利水电出版社，2021.7张育林，周林.大型钢岔管现场原位水压试验 J.中国科技信息，2013（13），57-58.8尚伟.钢岔管水压试验应力检测 J.四川建材，2019，45（11）：22，27.图 3 测点 6 应力分量实时曲线积极性，为工作向更加优化、更加高效、更加安全

19、方向发展。目前，工具还存在标准化程度不够，绝对尺寸精度要求不够等问题。解决这些问题后将拓宽工具的使用面，使其适应更多测量场景，同时为声光一体中心测量工具开拓相应的市场。参考文献：1郝用兴，冯梅玲，周洋，等.水轮机转轮室圆度检测系统设计 J.水力发电，2017，43（10）：74-77.2国家电网公司.水轮发电机检修导则：Q/GDW11296-2014S.3国家能源局.立式水轮发电机检修技术规程：DL/T817-2014S.4王永潭.丰满水电站水轮发电机组轴线调整 J.水利水电技术（中英文），2021，52（S1）：1-5.5康伟方，陶钻.浅谈大藤峡左岸厂房水轮发电机组轴线调整 J.水电站机电技术，2020，43（11）：40-43.6李健，吴强长潭河电厂水轮发电机组盘车及轴线调整方案 J.人民黄河，2020，42（S2）：224225，228.7韩鸿武，魏永嘉.提高卧式水轮发电机组中心调整的效率J.云南水力发电，2021，37（9）：135-136.8中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水轮发电机组安装技术规范：GB/T8564-2003S.（上接第 8 2 页）