壓力鋼管整體水壓試驗的嘗試

1、壓力鋼管整體水壓試驗的嘗試摘要文章通過對銀河水電站引水系統(tǒng)鋼管整體水壓試驗有關(guān)計算、方案等方面的詳細介紹，給有關(guān)長距離高水頭的試驗工作提供借鑒經(jīng)驗。關(guān)鍵詞壓力鋼管；高水頭；水壓試驗作者簡介潘耀林，廣西水工機械廠總工程師，研究方向：水工機械設(shè)備的設(shè)計、制造及管理，廣西柳州，545100中圖分類號TU511.3+7文獻標(biāo)識碼A文章編號】1007-7723(2007)09-0048-0006一、前言廣西水工機械廠2004年為桂林龍勝銀河水電站制造并安裝的壓力鋼管，全長約3.2km,高程差為580m,安裝完畢后應(yīng)業(yè)主及設(shè)計的要求進行了全段水壓試驗并取得成功。工程于2004年9月結(jié)束，并于2004年10

2、月順利并網(wǎng)發(fā)電。在如此長的管段上進行全段水壓試驗在廣西乃至全國都是非常罕見的。因此，對類似的試驗工作有一定的借鑒作用。工程背景資料銀河水電站為跨流域引水的山區(qū)式電站，其水源區(qū)為龍勝縣偉江河中上游山區(qū)，渠首位于龍勝縣偉江鄉(xiāng)里木村下游約200m的碧林澗與偉江河的匯合口下游450m的偉江河谷。銀河水電站總裝機2X12.5MW,由引水壩、引水渠道、無壓引水隧道、壓力前池、壓力鋼管相聯(lián)，并與升壓站及電力送由設(shè)施構(gòu)成本工程的主體。電站設(shè)壓力管道主管一條，全長3151.135m,鋼管最大工作水頭（包括水擊壓力）為610.0m,沿管線共布置有30個鎮(zhèn)墩，1#29#鎮(zhèn)墩的下游側(cè)均設(shè)有伸縮節(jié)共29個。壓力鋼管全線

3、6#鎮(zhèn)墩19#鎮(zhèn)墩間，25#鎮(zhèn)墩29#鎮(zhèn)墩間共1920m長為洞內(nèi)明管，其余1231.135m長為坡面明管。1#8#鎮(zhèn)墩間管長726.206m,管內(nèi)直徑1.64m,管壁厚14mm,管壁材料為Q235C;8#19#鎮(zhèn)墩間管長1320m,管內(nèi)直徑1.64m,管壁厚14mm,管壁材料為Q345C;19#20#鎮(zhèn)墩間管長120m,管內(nèi)直徑1.5m,管壁厚18mm,管壁材料為Q345C;20#21#鎮(zhèn)墩管長100.8m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚20mm,管壁材料為Q345C;21#24#鎮(zhèn)墩間管長252.5m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚22mm,管壁材料為Q345C;24#27#鎮(zhèn)墩間管長291.84m

4、,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚度24mm,管壁材料為Q345C;27#28#鎮(zhèn)墩間管長105.00m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚26mm,管壁材料為Q345C;28#29#鎮(zhèn)墩間管長107.333m,管內(nèi)直徑1.50m,管壁厚28mm,管壁材料為Q345C;29#30#鎮(zhèn)墩間管長127.55m,管內(nèi)直徑為1.50m,管壁厚30mm,管壁材料為Q345Co在30#鎮(zhèn)墩處有一岔管，岔管壁厚36mm,岔管材料為Q345C。岔管后分為兩條支管，共長31.362m,支管內(nèi)直徑為0.8m,管壁厚16mm,管壁材料為Q345C。三、水壓試驗的目的壓力鋼管在現(xiàn)場安裝完畢后，為了檢查安裝質(zhì)量、焊縫的密封程度，以及

5、鋼管實際承受壓力的工作情況，需要對鋼管進行水壓試驗。鋼管在工廠制造時，由于工作條件都比較好，例如拼裝、焊接和檢查等均可在較好的情況下進行，并可采用自動或半自動焊接；但是鋼管在現(xiàn)場安裝時，情況就不同了，無論是拼裝、焊接或檢查都受現(xiàn)場條件的限制，如焊接中的仰焊問題，在現(xiàn)場安裝就避免不了，如在坡度較陡的管段上，工作條件更困難。為此原因，在鋼管安裝好后，進行水壓試驗來檢查鋼管的實際工作狀況是必要的。但在通常情況下，水電站的壓力鋼管要整條地進行水壓試驗是不可能的。因為鋼管的首部與末端的高程相差很大，同時，鋼管的工作壓力也是末端大、首部小，若水壓試驗是整條鋼管進行，很可能是首部的壓力已大大超過試驗要求的壓

6、力，而末端的壓力尚不到試驗的壓力值。因此，現(xiàn)場水壓試驗常常是劃分成幾段來進行。但在銀河電站進行分段試驗：一方面操作上比較困難；另一方面會大大影響工期。因此，經(jīng)與業(yè)主、設(shè)計方協(xié)商，水壓試驗按全段進行，但壓力控制點為7#8#鎮(zhèn)墩管段（此段的設(shè)計安全系數(shù)最小），而不是最末端壓力。四、水壓試驗的有關(guān)計算（一）試驗壓力的確定為了使水壓試驗?zāi)苷嬲胤从秤射摴芩艹惺艿膲毫?，水壓試驗所使用的壓力，?yīng)當(dāng)比該段鋼管正常工作壓力高，試驗壓力最小應(yīng)取1.25倍的鋼管設(shè)計壓力，在莫些情況下可取到1.5倍的鋼管設(shè)計壓力。此次水壓試驗壓力控制點為7#8#鎮(zhèn)墩管段（最薄弱管段），該節(jié)的設(shè)計最大工作壓力為1.79Mpa,最大

7、試壓值應(yīng)為：1.79X1.45=2.60MPa,止匕壓力為水壓試驗控制壓力。而此處的靜水壓為1.42Mpa,這意味著需人工加壓1.18Mpa。（二）管壁應(yīng)力驗算在決定了鋼管水壓試驗的壓力后，應(yīng)對鋼管管壁的應(yīng)力進行驗算。由于水壓試驗是臨時性的，所以驗算管壁應(yīng)力時，其允許應(yīng)力是可以提高的。但為了使鋼管在水壓試驗后不留下殘余變形，水壓試驗時的管壁應(yīng)力不應(yīng)超過或達到材料的屈服極限，而應(yīng)當(dāng)維持在該極限的范圍內(nèi)，一般可使用到0.9bs。顯然，8#鎮(zhèn)墩前的鋼管截面為最危險截面，因此要對此處鋼管的跨中斷面的管壁應(yīng)力進行校核，其計算過程如下：式中：e為計算點半徑與管中心鉛垂線的夾角：e=0時為管頂點；e=90&

8、#176;時為管水平軸線；e=180°時為管底處。2 .軸向力2A在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力ax1（以拉力為+）計算公式：CTXl=其中，2A為作用在鋼管上各種軸向力的代數(shù)和，包括鋼管自重的軸向分力、伸縮節(jié)端部的內(nèi)水壓力、溫升時伸縮節(jié)止水填料的摩擦力和溫升時支座對鋼管的摩擦力。3 .法向力在橫斷面上產(chǎn)生的軸向應(yīng)力。x2從計算結(jié)果可看由，試驗壓力的選取并未超生允許范圍。（三）封頭計算4 .封頭選型在壓力管中使用的封頭型式，應(yīng)從加工方便和工作安全來考慮。平封頭的制作最為簡單，但在此水壓試驗中的壓力較大，一般的平封頭已不能滿足要求，而使用其他型式的封頭受現(xiàn)場條件限制比較困難。我們受鋼閘門的設(shè)

9、計啟發(fā)，決定采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)型式，現(xiàn)場制作非常方便，又能保證安全運行。5 .封頭強度驗算該封頭屬臨時設(shè)施，安全系數(shù)可適當(dāng)減小，最低可選至1.1,也不用考慮銹蝕的問題。封頭板中部區(qū)格的應(yīng)力驗算可按四邊固定矩形薄板進行，驗算公式如下：式中°mx面板沿x方向的局部彎曲應(yīng)力，bmx=kqa2/82bmy面板沿y方向的局部彎曲應(yīng)力，amy=p,amxa0x對應(yīng)面板驗算點梁系上整體彎曲應(yīng)力a0x=(1.5乙1-0.5)M/W工1面板兼作梁翼緣的有效寬度系數(shù)，取0.7M對應(yīng)面板驗算點梁系上的彎矩W對應(yīng)面板驗算點梁系的截面抵抗矩由表中結(jié)果可見，在封頭板材料采用Q345的情況下，即使不減小安全系數(shù)

10、，也是大大滿足使用要求的，事實證明也是如此。其他如筋板強度、焊縫強度的驗算都比較簡單，這里就不一一詳述。（四）加壓泵的選擇鋼管水壓試驗的加壓速度不宜過快也不宜過慢。過快會使鋼管的莫些變形在莫一定壓力的過程中由現(xiàn)突變，使鋼管沖擊或振動甚至造成破壞，也使壓力不能平穩(wěn)；另外，因管道較長，傳遞壓力也需要一定的時間。過慢會因鋼管的膨脹和滲漏而使壓力加不上去。因此，加壓泵除具有一定的壓力外還需有一定的流量。經(jīng)估算，因鋼管的膨脹和滲漏造成的流量損失大概有每分鐘23L。因此，選用的加壓泵的流量要在8L/min以上，而由口壓力有3MPa以上即可。而一般的試壓泵都是壓力高流量小，經(jīng)反復(fù)比較，決定采用QL-280型

11、高壓清洗泵改造成試壓泵，該清洗泵體積小、搬運方便、經(jīng)濟實用，其工作壓力為6MPa,流量為9.8L/min,非常適合該種場合。經(jīng)實際使用，效果良好，其加壓速度為0.1MPa/h,還是比較適合的。五、方案措施（一）人員配備（二）主要工器具配備（三）安全保障及應(yīng)急措施1 .充水前，安排質(zhì)檢人員將整條壓力鋼管進行自檢,檢合格后方可進行下一步工作。2 .前池、2#3#、4#5#、8#（安裝表1處）、7#、6#、10#、12#、28#、23#24#、21#22#、18#鎮(zhèn)墩及廠房球閥處的觀察聯(lián)絡(luò)人員各持一臺對講機，保證以上各點通訊暢通。3 .19#、20#鎮(zhèn)墩處的觀察聯(lián)絡(luò)人員各持一面彩旗，保證信號指示暢通

12、。4 .其他鎮(zhèn)墩處的觀察聯(lián)絡(luò)人員采用信號燈，也保證信號指示暢通。5 .機動人員一名（司機），持一臺對講機，方便上下聯(lián)絡(luò)及應(yīng)急。6 .觀察聯(lián)絡(luò)人員在投入工作前，要集中培訓(xùn)他們作指令信號的方法，投入工作后精神要高度集中。7 .在充水或加壓階段，各觀察聯(lián)絡(luò)人員如發(fā)現(xiàn)其觀測范圍內(nèi)有異?，F(xiàn)象，如焊縫滲水、伸縮節(jié)漏水、進人孔漏水、鎮(zhèn)墩撕裂或鎮(zhèn)、支墩地基下沉等等，觀察聯(lián)絡(luò)人員要及時撤到安全地點并作由異常信號指令，一一傳遞至指揮人員，指揮人員會根據(jù)不同的異常情況作曲判斷，必要時下指令停止充水（或加壓），嚴(yán)重的打開放空管或打開球閥讓發(fā)電機組過流卸壓，確保沿線人員及壓力鋼管廠房設(shè)備等的安全，并安排相關(guān)人員作由整改

13、，待整改完成后繼續(xù)充水（或加壓）。8 .異常現(xiàn)象整改表：（四）試驗步驟1 .在靠近8#鎮(zhèn)墩上游進入孔蓋上安裝一只控制壓力表（編號為：表1）;2 .充水前將發(fā)電機組前的兩個球閥全部關(guān)閉，將整條鋼管充水至729.00m高程（此時尚差前池鋼管進水口往下3.6m一段未充水）；3 .觀察整個鋼管線路確認無漏水現(xiàn)象后，用鋼悶蓋把前池鋼管進水口（焊接）封上，在悶蓋上裝有供排水及排氣管、測壓表（表2）、加壓管和閥門等，加壓系統(tǒng)如圖2所示；4 .封堵好后，用水泵將膠管伸入供水管處繼續(xù)充水，當(dāng)充滿水后，水會從排氣管口溢由，表明水已充滿，此時可將閥門關(guān)死；5 .接著可啟動加壓水泵從加壓管處往管內(nèi)充水加壓，先加壓至工

14、作壓力，即當(dāng)表1讀數(shù)為：1.79MPa,表2讀數(shù)為：0.36MPa左右時，保壓10min,對鋼管進行檢查；若情況正常，繼續(xù)升至試驗壓力，即表1讀數(shù)為：2.60MPa,表2讀數(shù)為：1.17MPa左右時，停止加壓，保壓5min;如無漏水現(xiàn)象，則卸壓至工作壓力，即當(dāng)表1讀數(shù)為：1.79MPa,表2讀數(shù)為：0.36MPa左右時，保壓30min,對鋼管進行檢查；如無漏水現(xiàn)象，即壓力無明顯下降，則水壓試驗成功。6 .水壓試驗完成后，先打開封堵悶蓋上的卸壓閥進行卸壓，至排氣管無水流由時再打開發(fā)電機組前的放空閥排水。之后將前池鋼管進水口鋼悶蓋割開，并打磨光、涂油漆。最后將表1拆下，用螺塞將壓力表孔塞住并加焊。

15、六、試驗記錄及結(jié)果分析本次水壓試驗從沖水開始到試驗結(jié)束共歷時近70個小時，其中加壓費時18個小時，加壓過程各壓力表記錄如圖3所示：從圖中可看由，在加壓開始階段，壓力增長比較緩慢，這是因為水中存在空氣，使得壓力建立比較慢的緣故。而一旦建立起壓力，壓力便成線性增長。但到了結(jié)束階段，壓力增長速度又放緩，這是因為一方面壓力增高造成滲漏增加；另一方面壓力增高也使加壓泵的輸生流量有所減少。這也說明該加壓泵的性能還有待增強。圖中只列由兩只壓力表的監(jiān)測情況，實際我們還監(jiān)測了壓力管末端球閥處壓力表，該表的起始壓力為4.98,加壓終止壓力為6.18MPa,過程曲線基本是表1曲線的平移。這說明壓力管末端的試驗壓力也達到了其最大工作壓力5.978MPa(610m)的1.03倍，也達到了檢驗其最大工作狀態(tài)的目的。在各保壓階段，各壓力表均未由現(xiàn)明顯回落，表明壓力管各環(huán)節(jié)均未由現(xiàn)明顯的泄漏。七、結(jié)語本次水壓試驗不單檢驗了壓力管的制造安裝的質(zhì)量水平，也為