压力钢管整体水压试验的尝试

压力钢管整体水压试验的尝试［摘要］文章通过对银河水电站引水系统钢管整体水压试验有关计算、方案等方面的详细介绍，给有关长距离高水头的试验工作提供借鉴经验。

［关键词］压力钢管；高水头；水压试验［作者简介］潘耀林，广西水工机械厂总工程师，研究方向：水工机械设备的设计、制造及管理，广西柳州，545100［中图分类号］TU511.3+7 ［文献标识码］ A ［文章编号］1007-7723（2007）09-0048-0006一、前言广西水工机械厂2004年为桂林龙胜银河水电站制造并安装的压力钢管，全长约3.2km，高程差为580 m，安装完毕后应业主及设计的要求进行了全段水压试验并取得成功。

工程于2004年9月结束，并于2004年10月顺利并网发电。

在如此长的管段上进行全段水压试验在广西乃至全国都是非常罕见的。

因此，对类似的试验工作有一定的借鉴作用。

二、工程背景资料银河水电站为跨流域引水的山区式电站，其水源区为龙胜县伟江河中上游山区，渠首位于龙胜县伟江乡里木村下游约200m的碧林涧与伟江河的汇合口下游450m的伟江河谷。

银河水电站总装机2×12.5MW，由引水坝、引水渠道、无压引水隧道、压力前池、压力钢管相联，并与升压站及电力送出设施构成本工程的主体。

电站设压力管道主管一条，全长3151.135m，钢管最大工作水头（包括水击压力）为610.0 m，沿管线共布置有30个镇墩，1#～29#镇墩的下游侧均设有伸缩节共29个。

压力钢管全线6#镇墩～19#镇墩间，25#镇墩～29#镇墩间共1920 m长为洞内明管，其余1231.135 m 长为坡面明管。

1#～8#镇墩间管长726.206 m，管内直径1.64 m，管壁厚14mm，管壁材料为Q235C；8#～19#镇墩间管长1320 m，管内直径1.64 m，管壁厚14mm，管壁材料为Q345C；19#～20#镇墩间管长120 m，管内直径1.5 m，管壁厚18 mm，管壁材料为Q345C；20#～21#镇墩管长100.8m，管内直径1.50 m，管壁厚20 mm，管壁材料为Q345C；21#～24#镇墩间管长252.5m，管内直径1.50m，管壁厚22mm，管壁材料为Q345C；24#～27#镇墩间管长291.84 m,管内直径1.50m，管壁厚度24 mm，管壁材料为Q345C；27#～28#镇墩间管长105.00 m，管内直径1.50m，管壁厚26 mm，管壁材料为Q345C；28#～29#镇墩间管长107.333 m，管内直径1.50m，管壁厚28mm，管壁材料为Q345C；29#～30#镇墩间管长127.55 m，管内直径为1.50m，管壁厚30mm，管壁材料为Q345C。

在30#镇墩处有一岔管,岔管壁厚36mm，岔管材料为Q345C。

岔管后分为两条支管，共长31.362 m，支管内直径为0.8 m，管壁厚16 mm，管壁材料为Q345C。

三、水压试验的目的压力钢管在现场安装完毕后，为了检查安装质量、焊缝的密封程度，以及钢管实际承受压力的工作情况，需要对钢管进行水压试验。

钢管在工厂制造时，由于工作条件都比较好，例如拼装、焊接和检查等均可在较好的情况下进行，并可采用自动或半自动焊接；但是钢管在现场安装时，情况就不同了，无论是拼装、焊接或检查都受现场条件的限制，如焊接中的仰焊问题，在现场安装就避免不了，如在坡度较陡的管段上，工作条件更困难。

为此原因，在钢管安装好后，进行水压试验来检查钢管的实际工作状况是必要的。

但在通常情况下，水电站的压力钢管要整条地进行水压试验是不可能的。

因为钢管的首部与末端的高程相差很大，同时，钢管的工作压力也是末端大、首部小，若水压试验是整条钢管进行，很可能是首部的压力已大大超过试验要求的压力，而末端的压力尚不到试验的压力值。

因此，现场水压试验常常是划分成几段来进行。

但在银河电站进行分段试验：一方面操作上比较困难；另一方面会大大影响工期。

因此，经与业主、设计方协商，水压试验按全段进行，但压力控制点为7#～8#镇墩管段（此段的设计安全系数最小），而不是最末端压力。

四、水压试验的有关计算（一）试验压力的确定为了使水压试验能真正地反映出钢管所能承受的压力，水压试验所使用的压力，应当比该段钢管正常工作压力高，试验压力最小应取1.25倍的钢管设计压力，在某些情况下可取到1.5倍的钢管设计压力。

此次水压试验压力控制点为7#～8#镇墩管段（最薄弱管段），该节的设计最大工作压力为1.79 Mpa，最大试压值应为：1.79×1.45=2.60MPa，此压力为水压试验控制压力。

而此处的静水压为1.42 Mpa，这意味着需人工加压1.18 Mpa。

（二）管壁应力验算在决定了钢管水压试验的压力后，应对钢管管壁的应力进行验算。

由于水压试验是临时性的，所以验算管壁应力时，其允许应力是可以提高的。

但为了使钢管在水压试验后不留下残余变形，水压试验时的管壁应力不应超过或达到材料的屈服极限，而应当维持在该极限的范围内，一般可使用到0.9σs。

显然，8#镇墩前的钢管截面为最危险截面，因此要对此处钢管的跨中断面的管壁应力进行校核，其计算过程如下：式中：θ为计算点半径与管中心铅垂线的夹角：θ=0°时为管顶点；θ=90°时为管水平轴线；θ=180°时为管底处。

2.轴向力ΣA在横断面上产生的轴向应力σx1（以拉力为+）计算公式：σx1=其中，ΣA为作用在钢管上各种轴向力的代数和，包括钢管自重的轴向分力、伸缩节端部的内水压力、温升时伸缩节止水填料的摩擦力和温升时支座对钢管的摩擦力。

3.法向力在横断面上产生的轴向应力σx2从计算结果可看出，试验压力的选取并未超出允许范围。

（三）封头计算1.封头选型在压力管中使用的封头型式，应从加工方便和工作安全来考虑。

平封头的制作最为简单，但在此水压试验中的压力较大，一般的平封头已不能满足要求，而使用其他型式的封头受现场条件限制比较困难。

我们受钢闸门的设计启发，决定采用如图1所示的结构型式，现场制作非常方便，又能保证安全运行。

2.封头强度验算该封头属临时设施，安全系数可适当减小，最低可选至1.1，也不用考虑锈蚀的问题。

封头板中部区格的应力验算可按四边固定矩形薄板进行，验算公式如下：式中σmx――面板沿x方向的局部弯曲应力，σmx=kqa2/δ2σmy――面板沿y方向的局部弯曲应力，σmy=μσmx σ0x――对应面板验算点梁系上整体弯曲应力σ0x=（1.5ζ1-0.5）M/Wζ1――面板兼作梁翼缘的有效宽度系数，取0.7M――对应面板验算点梁系上的弯矩W――对应面板验算点梁系的截面抵抗矩由表中结果可见，在封头板材料采用Q345的情况下，即使不减小安全系数，也是大大满足使用要求的，事实证明也是如此。

其他如筋板强度、焊缝强度的验算都比较简单，这里就不一一详述。

（四）加压泵的选择钢管水压试验的加压速度不宜过快也不宜过慢。

过快会使钢管的某些变形在某一定压力的过程中出现突变，使钢管冲击或振动甚至造成破坏，也使压力不能平稳；另外，因管道较长，传递压力也需要一定的时间。

过慢会因钢管的膨胀和渗漏而使压力加不上去。

因此，加压泵除具有一定的压力外还需有一定的流量。

经估算，因钢管的膨胀和渗漏造成的流量损失大概有每分钟2~3L。

因此，选用的加压泵的流量要在8L/min以上，而出口压力有3MPa以上即可。

而一般的试压泵都是压力高流量小，经反复比较，决定采用QL-280型高压清洗泵改造成试压泵，该清洗泵体积小、搬运方便、经济实用，其工作压力为6MPa，流量为9.8L/min，非常适合该种场合。

经实际使用，效果良好，其加压速度为0.1MPa/h，还是比较适合的。

五、方案措施（一）人员配备（二）主要工器具配备（三）安全保障及应急措施1.充水前，安排质检人员将整条压力钢管进行自检，自检合格后方可进行下一步工作。

2.前池、2#～3#、4#～5#、8#（安装表1处）、7#、6#、10#、12#、28#、23#～24#、21#～22#、18#镇墩及厂房球阀处的观察联络人员各持一台对讲机，保证以上各点通讯畅通。

3.19#、20#镇墩处的观察联络人员各持一面彩旗，保证信号指示畅通。

4.其他镇墩处的观察联络人员采用信号灯，也保证信号指示畅通。

5.机动人员一名（司机），持一台对讲机，方便上下联络及应急。

6.观察联络人员在投入工作前，要集中培训他们作指令信号的方法，投入工作后精神要高度集中。

7.在充水或加压阶段，各观察联络人员如发现其观测范围内有异常现象，如焊缝渗水、伸缩节漏水、进人孔漏水、镇墩撕裂或镇、支墩地基下沉等等，观察联络人员要及时撤到安全地点并作出异常信号指令，一一传递至指挥人员，指挥人员会根据不同的异常情况作出判断，必要时下指令停止充水（或加压），严重的打开放空管或打开球阀让发电机组过流卸压，确保沿线人员及压力钢管厂房设备等的安全，并安排相关人员作出整改，待整改完成后继续充水（或加压）。

8.异常现象整改表：（四）试验步骤1.在靠近8#镇墩上游进入孔盖上安装一只控制压力表（编号为：表1）；2.充水前将发电机组前的两个球阀全部关闭，将整条钢管充水至729.00m高程（此时尚差前池钢管进水口往下3.6m 一段未充水）；3.观察整个钢管线路确认无漏水现象后，用钢闷盖把前池钢管进水口（焊接）封上，在闷盖上装有供排水及排气管、测压表（表2）、加压管和阀门等，加压系统如图2所示；4.封堵好后，用水泵将胶管伸入供水管处继续充水，当充满水后，水会从排气管口溢出，表明水已充满, 此时可将阀门关死；5.接着可启动加压水泵从加压管处往管内充水加压，先加压至工作压力，即当表1读数为：1.79MPa，表2读数为：0.36 MPa左右时，保压10 min，对钢管进行检查；若情况正常，继续升至试验压力，即表1读数为：2.60MPa，表2读数为：1.17 MPa左右时，停止加压，保压5min；如无漏水现象，则卸压至工作压力，即当表1读数为：1.79MPa，表2读数为：0.36 MPa左右时，保压30 min，对钢管进行检查；如无漏水现象，即压力无明显下降，则水压试验成功。

6.水压试验完成后，先打开封堵闷盖上的卸压阀进行卸压，至排气管无水流出时再打开发电机组前的放空阀排水。

之后将前池钢管进水口钢闷盖割开，并打磨光、涂油漆。

最后将表1拆下，用螺塞将压力表孔塞住并加焊。

六、试验记录及结果分析本次水压试验从冲水开始到试验结束共历时近70个小时，其中加压费时18个小时，加压过程各压力表记录如图3所示：从图中可看出，在加压开始阶段，压力增长比较缓慢，这是因为水中存在空气，使得压力建立比较慢的缘故。

而一旦建立起压力，压力便成线性增长。