阜康抽水蓄能电站钢岔管原型水压试验.pdf

年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）文章编号：（）阜康抽水蓄能电站钢岔管原型水压试验戚波（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 ）摘要：以位于新疆昌吉州阜康市境内的阜康抽水蓄能电站引水隧洞钢岔管为例，为检验钢岔管预制及焊接质量，验证结构的合理性与可靠性，削弱钢岔管焊接残余应力，保证结构安全运行，在应用有限元方法系统性研究钢岔管围岩分担内水压力规律并提出埋藏式钢岔管设计原则的同时，对钢岔管结构进行了原型水压试验。结果表明，原型观测结果和有限元模拟计算结果基本吻合，表明所采取的研究思路合理可行，相关结论也为水利工程钢岔管设计提供了重要参考。关键词：抽水蓄能电站；钢岔管；水压试验；有限元分析中图分类号：文献标识码：收稿日期 作者简介 戚波（），男，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利水电项目管理工作。引言水压试验及检测是确保水利工程钢岔管安全运行的重要手段，既能用于检测焊缝缺陷，又能削弱焊接残余应力。根据 水电站压力钢管设计规范（），对于缺乏严格过程控制及未经过明确论证的钢岔管，应当展开水压类试验。通常情况下试验在管材预制厂进行，也可以直接在管网安装施工现场展开，但是此类做法必将占用工期，同时也面临实际操作方面的复杂性和难度。借助 有限元软件可对不同工况下钢岔管水压试验全过程展开模拟分析，掌握钢岔管在受压期间的应力分布。这一模拟过程借助电脑软件即可完成，既能有效避免常规现场水压试验存在的弊端，又能为真实的水压试验过程提供更为精准的测点布置、试验压力、应力分布等数据取值。对于水利水电工程中较为常见的埋藏式钢岔管形式，在设计的过程中未考虑到运行阶段可能承担 内水压力的要求，所以也不能按照规范直接以内水压力设计值的 倍为试验压力，沿用这一思路，具体应如何取值，只能借助有限元软件以及抗力限值展开试验压力合理范围的推算。基于此背景，文章以新疆阜康抽水蓄能电站为例，对其引水隧洞钢岔管原型水压试验展开有限元模拟，并验证了试验结果的合理性及试验压力值的准确性，可为类似水利工程压力钢管水压试验及质量控制提供借鉴参考。工程概况建设在新疆昌吉州阜康市境内的阜康抽水蓄能电站采用日调节形式，为一等大（）型工程，永久水工建筑物为 级设计等级，次要建筑物为 级，临时性水工建筑物为 级；引水上平洞长约 ，内径 ，坡度为 ，采用钢筋混凝土衬砌，方形段及渐变段衬砌厚度为 ，圆洞段衬砌厚度 。引水洞下平段厂上 桩号处布置钢岔管。本工程压力钢管采用高强钢板制造高水头大 值岔管，为保证工程运行安全可靠，按照有关规范，必须展开岔管原型水压试验。钢岔管结构计算 计算原则及参数取值阜康抽水蓄能电站引水隧洞钢岔管与厂房上游边墙相距 ，采用 型内加强月牙肋钢岔管，主管及支管直径为 和 ，分岔角为 ，中心高程 ，最大公切球半径 ，最大内水 年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）压力水头为 ；钢岔管主体钢板及肋板厚度分别为 和 。引水隧洞钢岔管段围岩条件良好，结合 水电站压力钢管设计规范（）及工程经验，按照埋藏式岔管设计；钢管结构安全等级为级，结构重要性系数取 ；考虑到运行工况为持久工况，故按照极限承载能力设计；钢板双面焊接，焊缝系数取 。钢材厚度为 ，屈 服 强 度 ，抗 拉 强 度 ，伸长率 ，冲击功 ，冷弯试验弯心直径为试样厚度的 倍数。钢材抗力限值见表 。表 钢材抗力限值钢材种类强度设计值 承受应力实际运行强度 级 整体膜应力 局部膜应力 弯曲肋板应力 局部膜应力 将钢材磨损、锈蚀等厚度均考虑进去后，该抽水蓄能电站钢岔管计算厚度确定为 。围岩的弹性模量确定为 ，围岩的变形模量则确定为 ，弹性抗力单位值则按照 取值。钢岔管缝隙值与围岩的单位弹性抗力系数对岔管存在明显影响，故展开缝隙值分别取 、以及单位弹性抗力系数值分别取 、时的敏感性研究 。有限元分析借助 有限元软件，通过 直角坐标系进行该抽水蓄能电站钢岔管仿真模型的创建，其中的 面主要作为底层水平面，以顺着电站所在流域下游向为 轴的正向，以垂直于地平面且向上的方向为 轴的正向；以主管和支管公切球球心为坐标原点。通过有限元模型进行内水压力作用和围岩联合承载情况下钢岔管应力和变形状态的模拟分析，并研究围岩单位弹性抗力和缝隙值的敏感性。引水隧洞钢岔管管节母线折角处发生应力集中现象的可能性较大，故应以该区域为膜应力重点控制区；肋板为偏心受拉件，应力最大值通常出现在最大截面内侧，应作为应力结果整理的关键点。在内水压力取 的情况下，钢岔管管壁与月牙肋板最大应力值依次为 和 。在材料抗力限值内，钢岔管结构在水压试验过程中承受的内水压力和其结构应力之间存在线性关系，按照 水电站压力钢管设计规范 抗力限值所推算的水压试验最大压力为 。在水压试验过程中，应结合 地下埋藏式月牙肋岔管设计导则 所规定的钢岔管应力监测结果不得超出水压试验工况下材料抗力限值等要求，进行最大压力的合理确定 。原型水压试验文章所研究的抽水蓄能电站引水隧洞中主要埋设 个钢岔管，为节省试验时间，可对 个钢岔管同时实施水压试验，但是因某些原因，试验过程中只准备有 套试验闷头。为在试验期间重复使用闷头，只能对钢岔管依次展开水压试验，试验过程中通过 长的直段连接闷头和钢岔管，试验完成后将焊接影响区割除以重复利用。钢岔管原型水压试验需要配备 套线性度为 的 型电阻应力片和 套 型电阻应变仪。试验要求该水电站引水隧洞钢岔管单体水压试验过程中，钢岔管分别与 个大闷头和 个小闷头对接以形成密闭容器。连接后的钢岔管结构平置于由 槽钢和 工字钢组合焊接而成的马鞍形钢支撑上；钢支撑底部与 厚的钢板基础固定；钢岔管和钢支撑间铺设 厚的四氟乙烯板，对钢岔管在水压试验期间的变形起到有效约束。试验开始后 、及 钢岔管实测水温分别为 、和 ，环境温度为 、及 ，均符合试验规程。试验工况水电站引水隧洞钢岔管原型水压试验数值模拟过程分两种情况，一是无支座的简化情况（方案 ）；二是设置支座的仿真情况，按照钢岔管和支座的连接方式，又分为完全固结（方案 ）、摩擦系数取 （方案 ）、摩擦系数取 （方案 ）等接触情形。不同水压试验方案下内水压力均为 ，主管管壁中基本锥厚 、过渡锥厚 、闷头段管壁厚 ，支管管壁中基本锥厚 、过渡锥厚 、闷头段管壁厚 ，肋板断面最大宽度为 ，肋板设计厚度 ，肋宽比为 ；种试验方案下支座接触状态不同。试验步骤在打开排气管阀门的情况下向钢岔管内注水，年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）直至水从排气管溢出时结束岔管充水；通过压力泵向钢岔管内分级加压，加压至预定压力等级后暂停并持续稳压 ，同时测试钢岔管应力水平。测试结束后继续加压至最大工作压力，同时关闭进水阀门并稳压 ，进行钢岔管应力应变等的检测，并检查管壁焊缝。期间压力表读数必须保持稳定，不得出现指针振颤。此后继续加压至最大试验压力，将进水阀门关闭后稳压 ，测试应力应变值；再将压力回降至最大工作压力，按要求稳压后全面检查钢岔管应力应变及质量。钢岔管水压试验加压过程线见图 。完成检测后按照与加压相反的次序逐级减压，各级均应稳压 ，并展开应力应变测试。按照试验规程完成钢岔管水压试验后，在钢岔管上端排气阀门开启的情况下，通过增益系统溢流控制阀将系统外压力卸至内水自重压力。图 钢岔管水压试验加压与时间过程线 试验结果分析 钢岔管应力按照 水电站压力钢管设计规范，在极限承载力状态下，钢岔管各点应力必须满足以下公式：槡（）式中：为引水隧洞钢岔管构件作用的设计应力，；为轴向正应力，；为环向正应力，拉应力取正值，压应力取负值；为剪应力，；为引水隧洞钢岔管构件抗力限值，。通过式（）得出不同水压试验方案下钢岔管中面和肋板关键点的 应力值，具体见表 。根据表中结果可以看出，不同水压试验方案下钢岔管管壳中面 应力最大依次取 、，取值较为接近，且均出现在主锥管和支锥管母线转折处的 点，均未超出 的钢材局部膜应力抗力限值。此外，不同水压试验方案中测点 和测点 的应力值也十分接近。而对于支座附近的管壳 、测点，除支座完全固结（即方案）下管壳应力值较低外，其余个方案管壳应力值均较为接近 。表 引水隧洞钢岔管管壳与肋板应力 测点方案 方案 方案 方案 钢岔管变形忽略支座作用的简化方案（方案 ）中，主管闷头端主要承受的是全约束形式，故其变位受到很大程度的限制，管壳也仅向下游变位；而其余方案因施加支座受力，无约束约束，故管壳上下游向均存在变位。但是不同水压试验方案下钢岔管因内水压力作用的总伸长量较为接近，种方案依次为 、，方案 钢岔管总伸长量最小；接触方案中方案 和 钢岔管总伸长量较为接近，意味着支座对钢岔管水压试验变形的控制作用较为有限。支座摩擦系数的影响通过水压试验无法得出准确的钢岔管和支座的摩擦系数值，既有研究成果和工程实践中对钢岔管应力受摩擦系数影响的研究也寥寥无几。此处通过有限元方法仿真研究支座摩擦系数对钢岔管应力的敏感性，并评估支座摩擦系数影响钢岔管应力的程度。根据有限元分析结果绘制支座摩擦系数分别取、及情况下钢岔管各测点处的 应力与摩擦系数的关系曲线。根据分析，在支座和管壳接触处当摩擦系数取时，应力变化较为明显，这种情况相当于将支座和钢岔管牢固焊接，这在水压试验中出现的可能性非常小；而其余情况下，支座和钢岔管管壳接触面摩擦系数取值大小均对管壳应力无较大影响。基于此，在文章所实施的原型水 年第 期（第 卷）黑龙江水利科技 （）压试验中，应用特别措施控制和减小支座和钢岔管接触面摩擦系数的做法实数没有必要，支座可凭借其自身强度满足水压试验要求 。结论综上所述，阜康抽水蓄能电站引水隧洞钢岔管原型水压试验过程中，管体无任何焊缝开裂及渗漏现象出现，表明钢岔管质量较为可靠；水压试验期间，钢岔管位移形变不大，刚性良好，且钢岔管结构在最大试验压力下的应力值接近材料抗力限值，存在较大的安全裕度；通过原型水压试验亦使焊接残余应力得到一定释放。因受到钢岔管组装焊接误差的作用，残余应力分布无规律性，为降低初始残余应力，必须采取有效措施提升钢岔管组装焊接精度；钢岔管腰部和肋板承受较大的应力值，故还应在该抽水蓄能电站日常运行过程中加强监测。参考文献：朱晨，袁翔 抽水蓄能电站钢岔管水压试验结构应力测试分析与评价 焊接技术，（）：，靳红泽，曹佳丽，杜雅楠，等 钢岔管水压试验消除焊接残余应力效果评价方法探讨 水电与抽水蓄能，（）：关磊，余鹏翔，邱丛威 水电站钢岔管残余应力测试与分析 水利技术监督，（）：，陈尚林，喻冉 抽水蓄能电站钢岔管水压试验技术 水电与抽水蓄能，（）：（上接第 页）经过试验可知，在极限荷载为 、的强度时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的应变均较小，在加卸载后均可恢复的弹性阶段，由此可知，两种混凝土在此荷载作用下性能差别不大。在极限荷载为 、的强度时，普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土的应变率均明显增大，相较于普通混凝土，聚丙烯纤维混凝土应变比较平缓，其抗压性能明显优于普通混凝土。结论文章对普通混凝土和聚丙烯纤维混凝土，分别进行了单轴抗压试验、循环加卸载试验和不同荷载的循环试验，可得如下结论：）在单轴抗压试验中，混凝土逐步加压达到 时，普通混凝土的强度达到峰值。在加压达到 时，聚丙烯纤维混凝土强度达到峰值，而后普通混凝土强度已明显下降，其应变急剧增大，聚丙烯纤维混凝土应变则缓慢增大，应变曲线较普通混凝土平滑，表明聚丙烯纤维混凝土抗压性能明显优于普通混凝土。）在循环加卸载试验中，应力达到 后再卸载，经过 次循环，聚丙烯纤维混凝土试块没有明显变化，由此表明，聚丙烯纤维混凝土抗压、阻裂性能效果显著。）在单轴抗压强度 、的 次循环荷载下，普通混凝土较聚丙烯纤维混凝土试块应变较大。由此表明，在不同强度的循环荷载下，聚丙烯纤维混凝土较普通混凝土抗压性能有显著提高。）在相同的荷载下，普通混凝土的应变均高于聚丙烯纤维混凝土，由此表明，聚丙烯纤维混凝土抗压性能明显优于普通混凝土。参考文献：童伟光，陈路敏，王怀亮 聚丙烯纤维特性对混凝土抗冲击性能的影响 混凝土，（）：，秦泽轩不同纤维对再生混凝土力学性能的影响 河南科技，（）：谭刚，王志亮 聚丙烯纤维掺量对混凝土抗压强度影响分析 散装水泥，（）：刘福顺简析聚丙烯纤维对混凝土强度的影响 湖南交通科技，（）：，李嘉卿聚丙烯纤维水泥混凝土试验性能探析 四川水泥，（）：马士宾，徐文斌，许艳伟，等 聚丙烯纤维高性能混凝土抗冲击性能研究 混凝土，（）：刘文，李晓路 聚丙烯纤维混凝土基本力学性能 四川水泥，（）：，杨彬 聚丙烯纤维对高强混凝土抗压强度的影响研究 混凝土与水泥制品，（）：董学超 聚丙烯纤维混凝土抗压强度及抗弯强度对比 居业，（）：，张延年，董浩，刘晓阳，等 聚丙烯纤维增强混凝土拉压比 试 验 沈 阳 工 业 大 学 学 报，（）：