关 磊 岳高峰 吴鹏

(1.水利部产品质量标准研究所，浙江 杭州 310024；2.中国葛洲坝集团机械船舶有限公司，湖北 宜昌 443007)

1 工程概述

水电站钢岔管是指压力钢管分岔处的管段，一般包括主管、锥形管和支管。浙江长龙山抽水蓄能电站钢岔管为对称“Y”型内加强月牙肋型，主管直径为4.0m，支管直径为2.8m，钢岔管材质为国产800MPa高强钢，主、支管壁厚均为66mm，月牙肋板厚为138mm，承受内水头1200m，HD值高达4800m·m，其规模位于世界前列。

为检验钢岔管的制作和焊接施工质量，验证结构的可靠性，部分消除钢岔管的峰值应力并使尖状缺陷钝化，防止缺陷扩张，保证钢岔管安全运行[1]，根据相关规范要求，对该电站钢岔管进行水压试验。结合电站实际运行条件和相关计算成果，确定水压试验最大压力为10MPa，该压力值为目前同类电站国内最大。岔管水压试验分为两个阶段：预压试验和正式水压试验。预压试验过程为：0MPa升压至2.0MPa，稳压30min后卸压至0MPa，稳压时，对岔管焊缝、试验管路进行检查，应无渗水和其他异常情况。正式水压试验进行两次。第一次加载循环为：0MPa升压至2.0MPa，稳压30min后升压至4.0MPa，稳压30min后升压至6.0MPa，稳压60min后升压至8.0MPa，稳压60min后升压至9.0MPa，稳压60min，对岔管进行检查，应无渗水和其他异常情况，卸压至8.0MPa，稳压30min后卸压至6.0MPa，稳压30min后卸压至4.0MPa，稳压30min后卸压至2.0MPa，稳压30min最后卸压至0MPa。第二次加载循环在按第一次加载循环升压至9.0MPa，稳压60min后，若情况正常，则继续升压至10MPa，稳压60min后卸压至9.0MPa，稳压30min后按第一次循环进行卸压至初始状态。

本次水压试验的最大压力值10MPa在国内尚属首次，经过专家论证，水压试验全过程进行应力监测，以实时掌握钢岔管在相应水压状态下的结构应力状况，分析工作应力的分布规律。为确保水压试验的安全，在水压试验全过程随时监测各点的最大应力，任何一点的应力峰值不应超过钢材的许用应力，否则停止加压。

水压试验进行两次加载循环主要基于以下两个方面的考虑：ⓐ水压试验达到如此高的压力，在国内没有工程经验可以借鉴，为确保水压试验的安全顺利进行[2]，经论证，第一个循环加载至9.0MPa，无异常情况后再进行10MPa的加载循环；ⓑ通过两个循环过程的应力监测，分析中厚高强钢板及焊缝区域在经过高水压后的结构应力状态及分布规律。

2 应力监测

2.1 测试技术难点及创新

月牙肋是钢岔管的重要构件，主管和支管对月牙肋板作用力合力作用点在管内，而且前期的计算结果也表明月牙肋靠近内缘的侧面应力最大，必须对这些重点区域进行应力监测。应力监测采用传统的应变测试技术[3]，并应用无线传感器网络技术进行数据传输[4]。

在实际运行过程中钢岔管主要承受内水压，由中厚板制作而成的密闭高压容器，在承受内水压时，内壁受力状况与外壁受力状况不同，为了解内部管壁膜应力和局部弯曲应力状况，本次应力监测除了在钢岔管外部布置应变计外，在内壁的对称位置也布置了应变计。由于内壁处在高压水环境下，因此内壁应力监测需要解决以下技术难题：

a.高压水环境下的测试信号线接头连接技术。本次应力监测采用国内自主研发的防水型应变计，自带信号线长度约1m，把信号线引出岔管外部需要进行加长处理，在高压水环境下信号线接头会发生漏水而导致绝缘性能丧失，从而导致试验失败。项目组针对该技术难题研究出一项专利技术“一种高压水环境下的测试信号线连接接头结构”[5]，有效改善了高压水环境下信号线连接接头进水漏电的现状。

b.高压容器内水环境下的测试信号线引出技术。本次应力监测内部测点较多，信号线引出的工作量较大，在内外压差高达10MPa的情况下将信号线引出，如信号线引出方法不当会导致漏水，甚至存在安全隐患，国内还没有工程实例可以参考，因此，采取安全可靠的信号线引出装置尤为重要。项目组经过计算分析，研究出一项专利技术“一种高压容器内无腐蚀液态环境下的测试信号线引出装置”[6]，有效改善了高水压钢岔管内壁测试信号线引出困难的现状。

c.内部应变计的防护。本次应力监测采用国内自主研发的防水型应变计，就其防护性能而言，国内还没有水压力在7MPa[7]以上的工程应用实例可供参考。为确保水压试验过程中应力监测数据的稳定，项目组经过多次试验，研究出应变计多层防护工艺，先采用专用AB胶进行两次防护，每次防护之间相隔至少24h，最后采用厌氧硅胶进行两次防护，从而达到对应变计防护的效果。

2.2 测点布置

根据月牙形内加强肋岔管的受力特征，岔管应力测量的重点部位为钝角区、肋板旁管壳区和月牙肋等区域[8]。应力状况比较明确的部位按环向和轴向布置双向直角应变计，复杂部位布置三向直角应变计。

监测点在内、外壁对称布置，月牙肋板测点，内部布置在靠近内缘的侧面，管外部布置在月牙肋板的外缘。根据岔管结构上下对称特性，测点集中布置在岔管的下半部分，焊缝附近测点距离焊缝中心线50mm。

钢岔管内外壁共布置应力测点20个，其中3个三向应变计测点、7个双向应变计测点，内外壁对称布置。月牙肋内缘布置2个单向应变计测点，外缘布置1个单向片测点，内外壁共有49个应力测试分量，应力测点布置见图1。

图1 应力测点布置示意图

2.3 监测结果及分析

本次对水压试验全过程进行了应力监测，因篇幅限制，本文只讨论水压试验升压过程数据，第一次水压试验应力监测数据见表1，第二次水压试验应力监测数据见表2。表中测点号表述含义为：字母“N”表示为内部测点，字母“W”表示外部测点，第一个数字表示测点号，与测点布置示意图对应，第二个数字表示分量序号。薄壁圆筒承受内压时，其环向应力是轴向应力的2倍[9]，因此，本文对各测点环向应力进行重点讨论。

表1 第一次水压试验应力测试结果

表2 第二次水压试验应力测试结果

a.表中各测点应力值随内水压力的升高而增大，基本呈线性变化(忽略测试误差和现场试验因大功率电气设备频繁启动对采集信号的干扰)。图2、图3为第一次水压试验典型监测点内、外部环向分量应力值变化趋势，图4、图5为第二次水压试验典型监测点内、外部环向分量应力值变化趋势。

图2 第一次水压试验典型管壁测点内外壁应力变化曲线

图3 第一次水压试验月牙肋测点应力变化曲线

图4 第二次水压试验典型管壁测点内外壁应力变化曲线

图5 第二次水压试验月牙肋测点应力变化曲线

b.钢岔管环向分量应力均为拉应力，管壁监测点最大应力值出现在第一次水压试验9.001MPa时，位于腰线位置，测点号N-8，应力值为417.5MPa，小于许用应力；月牙肋监测点最大应力值出现在第二次水压试验10.015MPa时，位于月牙肋内缘侧面，测点号N-11，应力值为472.2MPa，小于许用应力。

c.钢岔管内壁应力值普遍大于同一部位的外壁应力值，以测点8为例，在第一次水压试验应力监测过程中，水压为9.001MPa时，内壁测点号N-8的应力值为417.5MPa，而同一部位的外壁测点号W-8的应力值为290.7MPa。因此，内壁应力监测点的布置很重要，尤其是用于监测水压试验结构安全状况。

d.第二次水压试验在第一次水压试验结束48h后进行，同一测点第二次监测应力值较第一次监测应力值有所降低，尤其是出现高应力测点，各监测点在同一压力(9.0MPa)下的环向应力分量值的降低率见表3。由表3可知，最大应力降低率为22.67%，最小应力降低率为3.27%，平均降低率在12.00%以上。第一次水压试验过程中，压力为9.001MPa时，最大应力值出现在N-11测点，为468.8MPa，而第二次水压试验中，压力为9.007MPa时，该点的应力值降低到420.3MPa，忽略0.006MPa的水压力差值，该点的应力值降低10.35%，可见经过第一次水压试验，部分消除了钢岔管的峰值应力，从而使结构的内部应力状态重新分布。

表3 两次水压试验同一测点应力值比较结果

e.第二次水压试验压力10.015MPa时，各测点的分量应力值均小于许用应力，达到设计目标和要求。

3 结 语

a.本次水压试验最大水压力10.015MPa是同类电站国内最大试验压力值，本次应力监测各项创新方法可靠，施工工序合理，应力监测数据采集齐全，及时动态地反映了各部位的应力状态，应力监测过程中，各测点的应力分量值均小于许用应力，水压试验进行顺利，钢岔管结构安全可靠，达到设计目标和要求。

b.一般情况下，钢岔管内壁应力值大于同一部位的外壁应力值，内壁应力监测点的布置很重要，尤其是用于监测水压试验结构安全状况。

c.同一压力值下，同一测点第二次监测应力值较第一次监测应力值有所降低，尤其是出现高应力测点，可见经过第一次水压试验，部分消除了钢岔管的峰值应力，从而使结构的内部应力状态重新分布。