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五強(qiáng)溪電廠4號(hào)機(jī)壓力鋼管安全性檢測分析與評(píng)估

文檔作者：張平文檔來源：湖南五凌電力工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月30日
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76
第41 卷 第5 期
2018 年5 月
水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.41 No.5
May.2018
收稿日期： 2018-02-28
作者簡介： 張　平（1982-），男，工程師，從事水電廠機(jī)電設(shè)備檢修
技改工作。
五強(qiáng)溪電廠4 號(hào)機(jī)壓力鋼管安全性檢測分析與評(píng)估
張 平
（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）
摘 要： 介紹了水電廠壓力鋼管安全性檢測過程，采用腐蝕情況檢查、無損探傷、靜應(yīng)力檢測、動(dòng)應(yīng)力檢測等方法，
根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)4 號(hào)機(jī)組壓力鋼管安全性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于類似工程有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞： 壓力鋼管；腐蝕；應(yīng)力檢測；有限元復(fù)核計(jì)算；安全性評(píng)估
中圖分類號(hào)：TV732.4+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-5387（2018）05-0076-06
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.05.023
0 引言
五強(qiáng)溪水電廠位于湖南省沅陵縣境內(nèi)的沅水干
流上，全廠裝機(jī)5×250 MW。5 臺(tái)機(jī)組壓力鋼管運(yùn)
行均接近20 年，可能存在隱患或帶病運(yùn)行。為保證
整個(gè)電廠的安全，防止壓力鋼管局部破裂出現(xiàn)大量
漏水事故，有必要對(duì)其進(jìn)行安全檢測與評(píng)估。
電廠5 臺(tái)機(jī)組設(shè)置獨(dú)立的引水壓力鋼管。4 號(hào)
機(jī)組壓力鋼管長83.89 m，直徑11.2 m，設(shè)上游段、下
彎段、水平段、伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。自上游段至下
彎段設(shè)計(jì)用18~22 mm/16Mn 鋼板。水平段用36 mm/
SM58Q 高強(qiáng)鋼板，伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段為40 mm/62U
高強(qiáng)鋼板。為進(jìn)一步了解設(shè)備長時(shí)間運(yùn)行后的安全
情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能存在的各種缺陷，對(duì)4 號(hào)機(jī)壓力
鋼管進(jìn)行安全檢測與評(píng)估。
1 檢測范圍及內(nèi)容
檢測范圍：4 號(hào)機(jī)壓力鋼管下彎段、水平段、伸
縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。檢測內(nèi)容: 外觀檢測、銹蝕量
檢測、材質(zhì)檢測、焊縫無損探傷、靜應(yīng)力檢測、動(dòng)應(yīng)力
檢測等。
2 外觀及腐蝕情況檢測
2.1 概述
外觀檢查是以目測為主，配合使用測量工具，對(duì)
壓力鋼管的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進(jìn)行檢查。外觀形
態(tài)檢查主要檢查鋼管管壁、伸縮節(jié)及焊縫區(qū)的滲漏，
鋼管管壁表面損傷及明顯變形，焊縫表面缺陷及其
異常情況等。銹蝕狀況檢查是對(duì)鋼管各管段的銹蝕
分布、銹蝕面積及銹蝕部位等進(jìn)行描述，評(píng)定各部位
的銹蝕程度。
2.2 外觀檢查
對(duì)壓力鋼管內(nèi)部及明管段外部進(jìn)行檢查，檢查
結(jié)果表明壓力鋼管外觀形態(tài)完好，無明顯移位、變形
和損傷，鋼管表面涂層基本完好，埋管外包混凝土未
發(fā)現(xiàn)明顯掏空現(xiàn)象。主要存在以下問題：
（1）加筋環(huán)焊縫以及加筋環(huán)與鋼管聯(lián)接焊縫、鋼
管內(nèi)壁局部存在焊瘤、咬邊、孔眼、凹坑、飛濺物等外
觀缺陷；伸縮節(jié)內(nèi)部蓋板密封焊縫成型質(zhì)量差，存在
焊瘤、咬邊等問題。
（2）廠房明管段鋼管外壁銹蝕主要發(fā)生在加筋
環(huán)支撐點(diǎn)及鋼管與上下游側(cè)墻聯(lián)接部位，主要以銹
坑、銹跡斑形式分布，局部密集成片分布，銹坑深度
為1.0~1.5 mm。
（3）加勁環(huán)支撐點(diǎn)搭接焊縫存在裂紋，明管段下
游側(cè)墻體開裂。
（4）鋼管內(nèi)壁一般銹蝕或較重銹蝕，管壁表面分
布有銹斑、銹包或較深的點(diǎn)銹坑，在100 mm×100 mm
范圍內(nèi)約有40 個(gè)銹坑，坑深為0.4~2.9 mm。
2.3 銹蝕量檢測
根據(jù)鋼管管壁的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量
檢測采用數(shù)字超聲波測厚儀、測針和涂層厚度測定
儀等儀器和工具進(jìn)行。對(duì)壓力鋼管內(nèi)壁及明管段外
萬方數(shù)據(jù)
第 5 期 77
壁進(jìn)行蝕余厚度測量，計(jì)算出銹蝕量與銹蝕速度（見
表1、表2）。
圖1　壓力鋼管分段與編號(hào)
表1 鋼管內(nèi)壁銹蝕量檢測結(jié)果
平均銹蝕量
/mm
最大銹坑深
度/mm
最小銹坑深
度/mm
已使用年
限/a
平均銹蝕速率
/mm/a
1.24 2.6 0.5 18 0.069
表2 明管段外壁銹蝕量檢測結(jié)果
平均銹蝕量
/mm
最大銹坑深
度/mm
最小銹坑深
度/mm
已使用年
限/a
平均銹蝕速率
/mm/a
1.62 2.1 0.7 18 0.09
3 材料檢測
3.1 材料合金分析
試驗(yàn)前，先對(duì)試樣表面進(jìn)行處理，清除試樣表面
污垢、涂層、銹蝕等雜物，然后進(jìn)行成分分析，測試出
試樣化學(xué)成分的百分含量（見表3、表4）。
表3 伸縮節(jié)合金成分測試結(jié)果
/ Mn Mo Cr V Cu
實(shí)測1.34 0.19 0.13 0.05 0.29
標(biāo)準(zhǔn)（62U） 0.9~1.4 ≤ 0.20 ≤ 0.30 ≤ 0.08 ≤ 0.3
表4 水平段合金成分測試結(jié)果
/ Mn Mo Cr Ni /
實(shí)測1.34 0.19 0.13 0.05 /
標(biāo)準(zhǔn)（SM58Q） 0.9~1.4 ≤ 0.20 ≤ 0.30 ≤ 0.08 /
3.2 材料硬度與抗拉強(qiáng)度檢測
硬度和抗拉強(qiáng)度檢測使用HLN-11A 型里氏硬
度計(jì)在現(xiàn)場進(jìn)行測試，儀器將硬度測試值自動(dòng)轉(zhuǎn)換
成相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值，硬度和抗拉強(qiáng)度值測試一次
完成。測試結(jié)果見表5。
表5 硬度及抗拉測試結(jié)果
/　
伸縮節(jié)
（下游）
伸縮節(jié)
（上游）
12 號(hào)25 號(hào)g1 號(hào)
材質(zhì)62U 62U SM58 Q SM58 Q 16 Mn
硬度（HB） 210 207 197 190 208
抗拉強(qiáng)度/MPa 710 700 667 640 704
抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)
值/MPa
607~725 607~725 607~725 607~725 570~720
4 焊縫無損探傷
雖然壓力鋼管在制造安裝階段已對(duì)焊縫進(jìn)行過
較為嚴(yán)格的探傷，但經(jīng)長期運(yùn)行后，在荷載作用下焊
縫有可能產(chǎn)生新的缺陷，原先經(jīng)檢查在容許范圍內(nèi)
的缺陷亦有可能擴(kuò)展。焊接缺陷會(huì)降低焊縫的抗拉
強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，故需要對(duì)焊縫
進(jìn)行抽檢探傷。
4 號(hào)機(jī)壓力鋼管焊縫超聲探傷檢測按文獻(xiàn)【2】
要求執(zhí)行，一類焊縫：超聲波探傷應(yīng)不少于20%；二
類焊縫：超聲波探傷應(yīng)不少于10%；發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)應(yīng)
根據(jù)具體情況在裂紋的延伸方向增加探傷長度，直
至全長。其中鋼管縱焊縫為一類焊縫，環(huán)焊縫為二
類焊縫，本次壓力鋼管共檢測一類焊縫25 m，二類
焊縫256 m，檢測比例均大于規(guī)程要求。具體檢測
位置及長度如下頁圖2 所示。
4.1 超聲波檢測結(jié)果
對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行超聲波探傷抽查，對(duì)接焊縫主
要抽查T 形焊縫，抽查焊縫總長281 m，檢測未發(fā)現(xiàn)
超標(biāo)缺陷。
4.2 磁粉檢測結(jié)果
對(duì)鋼管焊縫及伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板焊縫進(jìn)行
磁粉探傷抽查。對(duì)接焊縫主要抽查T 形焊縫，抽查
焊縫總長281m；內(nèi)部密封擋水板焊縫抽查下部，抽
查長20 m。檢測發(fā)現(xiàn)4 處裂紋。
（1）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部約
3 000 mm 處，焊縫融合線上存在一條長16 mm、深
5 mm 的裂紋。
（2）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部約
3 000 mm 處，焊縫融合線上存在一條長14 mm、深
8 mm 的裂紋。
（3）伸縮節(jié)上游第三條環(huán)焊縫右岸側(cè)，丁字焊縫
上方100 mm 處，焊縫融合線上存在一條長10 mm、
深7 mm 的裂紋。
（4）伸縮節(jié)下游第一條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部
5 000 mm 處，距焊縫熔合線10 mm 處的母材上有一
條長5 mm、深3 mm 的裂紋。
針對(duì)上述檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷，已將裂紋打磨至消
除，使用che507 焊條堆焊處理并打磨平滑，經(jīng)探傷
合格。
4.3 著色檢測結(jié)果
對(duì)引水管段伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板整圈異種鋼
張　平：五強(qiáng)溪電廠4 號(hào)機(jī)壓力鋼管安全性檢測分析與評(píng)估
萬方數(shù)據(jù)
78 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)第41 卷
焊縫進(jìn)行著色檢測，長約81 m。未發(fā)現(xiàn)表面開口缺陷。
5 應(yīng)力檢測
壓力鋼管運(yùn)行多年后，受磨蝕、銹蝕、變形等因
素的影響，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與設(shè)計(jì)狀態(tài)相比將有所下降，
運(yùn)行的可靠性降低。為了解在役壓力鋼管的應(yīng)力狀
況，有必要對(duì)鋼管進(jìn)行應(yīng)力檢測。
5.1 檢測方法
應(yīng)力檢測采用電測法，分為靜應(yīng)力檢測和動(dòng)應(yīng)
力檢測，檢測部位為廠房明管段。靜應(yīng)力檢測是檢
測在靜水壓力作用下鋼管管壁的應(yīng)力；動(dòng)應(yīng)力檢測
是檢測機(jī)組甩負(fù)荷產(chǎn)生水錘壓力時(shí)鋼管的應(yīng)力。結(jié)
構(gòu)應(yīng)力檢測采用電阻應(yīng)變計(jì)、動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析系
統(tǒng)及筆記本微機(jī)等設(shè)備。結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測系統(tǒng)圖如圖
3 所示。
圖3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測系統(tǒng)框圖
電阻應(yīng)變
片
動(dòng)態(tài)信號(hào)測試分析
系統(tǒng)（DH5922）
筆記本微
機(jī)
圖 3　結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測系統(tǒng)框圖
5.2 測點(diǎn)布置
鋼管靜、動(dòng)應(yīng)力檢測的測點(diǎn)布置在鋼管與側(cè)墻
聯(lián)接處附近（A-A 斷面）、伸縮節(jié)下游側(cè)附近（B-B 斷
面）、伸縮節(jié)上游側(cè)附近（C-C 斷
面）、加強(qiáng)勁附近（D-D 斷面）等四
個(gè)斷面。每個(gè)斷面對(duì)稱布置4 個(gè)
三向測點(diǎn)，四個(gè)斷面共布置16 個(gè)
三向測點(diǎn)，測點(diǎn)的具體位置如圖4
所示。
5.3 檢測工況
（1）靜應(yīng)力檢測荷載為作用于
鋼管的靜水壓力。鋼管檢測時(shí)，水
庫水位105 m，作用于鋼管的水頭
為55 m（鋼管中心高程為50.0 m）。
（2）動(dòng)應(yīng)力檢測荷載為作用于
鋼管的靜水壓力和水錘壓力。鋼
管檢測甩負(fù)荷工況為：
工況一：機(jī)組甩50％額定負(fù)
荷（131.3 MW）。
工況二：機(jī)組甩75％額定負(fù)
荷（186.5 MW）。
工況三：機(jī)組甩實(shí)際最大負(fù)荷
（244.5 MW）。
5.4 檢測數(shù)據(jù)處理依據(jù)
單向測點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：σ = Eε
三向測點(diǎn)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式為：
2( )
1 A C
E
&#x1F;&#x1E; &#x1D; μ&#x1D;
μ
= +
?
2( )
x 1 C A
σ E ε με
μ
= +
?
(2 )
x 2(1 ) B A C
E
θ τ
ε ε ε
μ
= ? ?
+
圖2　焊縫檢測示意圖（虛線為壓力鋼管底部）
圖4　明管測點(diǎn)布置示意
萬方數(shù)據(jù)
第 5 期 79
2 [ ]2
max ( ) 2 ( )
2(1 ) A C B A C
τ E ε ε ε ε ε
μ
= ? + ? +
+
式中：
σ—單向測點(diǎn)的應(yīng)力；
σθ、σx—分別為三向測點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力
（θ、x 方向分別與εA、εc 方向一致）；
τθx—三向測點(diǎn)的剪應(yīng)力；
τmax—三向測點(diǎn)的最大剪應(yīng)力；
E—鋼材的彈性模量（E=2.06×105 MPa）；
μ—鋼材的泊松比（μ=0.30）；
ε—單向測點(diǎn)的應(yīng)變；
εA、εB、εC、—分別為三向測點(diǎn)沿環(huán)向、與軸向成
45o 方向、軸向的應(yīng)變值。
三向測點(diǎn)的等效應(yīng)力（σeq）計(jì)算公式為：
σeq= 2 2 3 2eq θ x θ x θx σ = σ +σ ?σ σ + τ
5.5 檢測成果與分析
在實(shí)測水位下，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為85.9 MPa，
最大等效應(yīng)力為92.3 MPa；機(jī)組甩50％額定負(fù)荷
時(shí)，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為97.1 MPa，最大等效應(yīng)力為
104.0 MPa；機(jī)組甩75％額定負(fù)荷時(shí)，鋼管最大環(huán)向
應(yīng)力為107.9 MPa，最大等效應(yīng)力為116.3 MPa；機(jī)組
甩實(shí)際最大負(fù)荷時(shí)，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為113.4 MPa，
最大等效應(yīng)力為121.2 MPa。最大環(huán)向應(yīng)力點(diǎn)均出
現(xiàn)在A-A 斷面的1 號(hào)測點(diǎn)，最大等效應(yīng)力點(diǎn)均出現(xiàn)
在B-B 斷面的2 號(hào)測點(diǎn)。
圖5 給出了動(dòng)應(yīng)力實(shí)測典型過程曲線（相對(duì)于
凈水壓力下測點(diǎn)應(yīng)力變化），圖中四個(gè)曲線分別為機(jī)
組甩75% 負(fù)荷時(shí)3 號(hào)環(huán)向和軸向應(yīng)變，11 號(hào)軸向
應(yīng)變和12 號(hào)與軸向成45o 方向應(yīng)變曲線。
圖5　動(dòng)應(yīng)力實(shí)測典型過程線
依據(jù)文獻(xiàn)【3】規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原
則可知：鋼管62 U 材質(zhì)、SM58 Q 材質(zhì)的的整體膜應(yīng)
力區(qū)、局部應(yīng)力區(qū)的抗力限值如表6 所示。
表6 硬度及抗拉測試結(jié)果
材質(zhì)整體膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)
抗力限值
/MPa
62U 302.1694 439.5192
SM58Q 262.9132 383.0954
6 有限元復(fù)合計(jì)算與分析
為確定實(shí)測應(yīng)力值的可靠性及準(zhǔn)確度，需要對(duì)
壓力鋼管進(jìn)行有限元復(fù)核計(jì)算與分析。
6.1 水錘計(jì)算
6.1.1 水錘波傳播速度的確定
水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及
水的彈性模量等有關(guān)。其傳播速度可表示為：
/
1 2
0.5
w w
w
E g
a
E
KD
γ
=
+
式中：Ew—水的體積彈性模量，2.1×107 MPa；
K—管道的抗力系數(shù)；
g—重力加速度。
根據(jù)以上公式，可以求出管道中水錘傳播速度，
水錘波速約等于1 000 m/s。
6.1.2 水錘形式的確定
水錘的產(chǎn)生形式有直接水錘和間接水錘，直接
水錘是水電站必須避免的。間接水錘是指當(dāng)閥門關(guān)
閉過程結(jié)束前，水庫異號(hào)反射回來的降壓波已到達(dá)
閥門處。進(jìn)行水錘計(jì)算，關(guān)鍵是求出其最大值。
第一相水錘可以按以下公式進(jìn)行計(jì)算：
1
0
2
1
A σ
ξ
ρτ σ
=
+ ?
1 0
ΔH =γξ AH
式中：γ- 分項(xiàng)系數(shù)，取1.1；ρ、σ- 管道的特性系
數(shù)。
0
0
max
0
2
s
av
gH
Lv
gH T
ρ
σ
=
=
式中：Ts- 導(dǎo)葉總關(guān)閉時(shí)間；L- 管道總長；v- 流
速。
末相水錘可以按以下公式計(jì)算：
2
2
A
m
σ
ξ
σ
=
?
0
A
m ΔH =γξ H
張　平：五強(qiáng)溪電廠4 號(hào)機(jī)壓力鋼管安全性檢測分析與評(píng)估
萬方數(shù)據(jù)
80 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù)第41 卷
經(jīng)計(jì)算，第一相水錘為在最大水頭下丟棄全負(fù)
荷的間接水錘。在實(shí)測水位（55 m）下甩最大負(fù)荷，
最大水錘壓力作用水頭為18.9 m；在設(shè)計(jì)洪水位
（60.1 m）下甩最大負(fù)荷，最大水錘壓力作用水頭為
18.7 m。在其他參數(shù)一定情況下，作用水頭越大，管道
特性系數(shù)σ 越小，第一相水錘越小，所以在設(shè)計(jì)洪水
位下的第一相水錘小于實(shí)測水位下的第一相水錘。
6.2 有限元模型
6.2.1 單元?jiǎng)澐?
根據(jù)廠房明管段鋼管的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，
對(duì)伸縮節(jié)上游側(cè)、下游側(cè)鋼管分別進(jìn)行計(jì)算。壓力
鋼管是典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，因此將鋼管離散
為板殼單元。鋼管伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管計(jì)算模型的
節(jié)點(diǎn)總數(shù)為52 560 個(gè)，單元總數(shù)為17 280 個(gè)；伸縮
節(jié)下游側(cè)鋼管計(jì)算模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為19 920 個(gè)，單
元總數(shù)為6 480 個(gè)；鋼管明段有限元計(jì)算模型如圖
6 所示。
（a）伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管 （ b）伸縮節(jié)下游側(cè)鋼管
圖6　鋼管明管段有限元計(jì)算模型
6.2.2 約束處理
伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管與混凝土墻體直接聯(lián)接和伸
縮節(jié)為徑向簡支約束，加筋環(huán)為徑向約束，加勁環(huán)上
2 個(gè)支撐點(diǎn)為固定約束，伸縮節(jié)下游側(cè)鋼管與混凝
土墻體直接聯(lián)接為固定約束，伸縮節(jié)一端為徑向約
束。
6.2.3 鋼管幾何尺寸與材料特性
鋼管構(gòu)件的外形尺寸按設(shè)計(jì)圖紙并結(jié)合實(shí)測尺
寸取用，鋼管構(gòu)件的厚度采用現(xiàn)場實(shí)測的蝕余厚度。
壓力鋼管明管段材質(zhì)為62U 和SM58Q，彈性模量
E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，容重γ=78 kN/m3。
62 U 的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為585 MPa 和
621 MPa，SM58 Q 的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為
509.9 MPa 和617.8 MPa。
6.3 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析
應(yīng)力計(jì)算工況主要考慮作用于鋼管的水壓力、
鋼管自重及甩負(fù)荷的水錘壓力，作用水頭值依照水
錘形式確定計(jì)算值。
6.3.1 強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)
依據(jù)文獻(xiàn)【3】規(guī)定，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)
原則，鋼管各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)滿足：
R σ ≤≤σ
按第四強(qiáng)度理論，鋼管各點(diǎn)的應(yīng)力為Mises 等
效應(yīng)力，其計(jì)算式為：
2 2 3 2 seqv θ x θ x θ x σ = σ +σ ?σ σ + τ
R σ 按下式計(jì)算：
0
1
R
d
σ f
γ ψγ
=
式中： seqv σ —鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的Von Mises 等效
應(yīng)力； R σ —鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值； θ σ —環(huán)向正
應(yīng)力； x σ —軸向正應(yīng)力；θ x τ —剪應(yīng)力； 0 γ —結(jié)構(gòu)重
要性系數(shù)，取1.1；ψ—設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取1.0； d γ —結(jié)
構(gòu)系數(shù)，主廠房內(nèi)的明管， d γ 宜增大10％～20％。
整體膜應(yīng)力區(qū)取1.76，局部應(yīng)力區(qū)取1.21；f—鋼材
強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。壓力鋼管的抗力限值列于表6。
6.3.2 應(yīng)力計(jì)算成果與分析
在靜水壓力（工況一）、實(shí)測水位下機(jī)組甩額定
負(fù)荷（工況二）、設(shè)計(jì)洪水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷（工
況三）時(shí)鋼管管壁的Mises 等效應(yīng)力云圖如圖7 所
示。
圖7　鋼管管壁的Mises 等效應(yīng)力云圖（單位：Pa）
三種工況下鋼管管壁最大Mises 等效應(yīng)力計(jì)算
萬方數(shù)據(jù)
第 5 期 81
結(jié)果列于表7。
表7 廠房明管段管壁最大Mises 等效應(yīng)力
工況
伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管伸縮節(jié)下游側(cè)鋼管
Mises 等效應(yīng)力/MPa Mises 等效應(yīng)力/MPa
整體膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)整體膜應(yīng)力區(qū)局部應(yīng)力區(qū)
工況一85 118 84 141
工況二115 154 126 184
工況三128 163 142 195
由有限元計(jì)算結(jié)果可知，在靜水壓力、實(shí)測水位
下機(jī)組甩額定負(fù)荷、設(shè)計(jì)洪水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷
時(shí)鋼管的最大Mises 等效應(yīng)力均小于抗力限值。
6.4 有限元計(jì)算成果與實(shí)測成果比較分析
鋼管應(yīng)力檢測是根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工況，
在鋼管的特征斷面布置測點(diǎn)，因而，應(yīng)力檢測只能測
表面一點(diǎn)處的應(yīng)力狀況，而鋼管整體的應(yīng)力狀況只
能通過有限元分析計(jì)算才能得到。為了解鋼管應(yīng)力
檢測和有限元分析計(jì)算成果的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)檢
測與計(jì)算成果進(jìn)行比較。
在工況一的實(shí)測水位下，和廠房明管段鋼管各測
點(diǎn)的等效應(yīng)力檢測成果與有限元計(jì)算結(jié)果列于表8。
表8 鋼管明管段各測點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力和實(shí)測應(yīng)力
測點(diǎn)號(hào)實(shí)測應(yīng)力/MPa 計(jì)算應(yīng)力/MPa 相對(duì)差值/%
1 72.4 75.8 4.5
2 90.8 92.3 1.6
3 26.9 25.8 4.3
4 50.3 56.1 10.3
5 65.4 68.4 4.4
6 64.2 79.7 19.4
7 33.5 30.9 8.4
8 56.4 50.8 11.0
9 26.3 25.5 3.1
10 30.7 33.7 8.9
11 19.4 22.7 14.5
12 27.5 26.6 3.4
13 60.7 63.8 4.9
14 87.3 81.5 7.1
15 34.1 32.1 6.2
16 48.0 52.3 8.2
根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知：在鋼管的16 個(gè)測點(diǎn)中，實(shí)
測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力相對(duì)差值超過10% 以上的測點(diǎn)
僅有3 個(gè)；相對(duì)最大差值為19.4%，出現(xiàn)在6 號(hào)測點(diǎn)。
相對(duì)最小差值為1.6%，出現(xiàn)在2 號(hào)測點(diǎn)。廠房明管
段鋼管的實(shí)測應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力差異均較小，檢測成
果與有限元計(jì)算成果互為驗(yàn)證，表明檢測成果和計(jì)
算成果是可信的。
7 檢測結(jié)果綜合分析
用定量光譜儀及硬度計(jì)對(duì)明管段的化學(xué)成分及
硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明明管段材料成分和性能與
設(shè)計(jì)相符。
明管段鋼管靜應(yīng)力檢測（水頭55 m）結(jié)果表明，
最大等效應(yīng)力值為材料抗力限值的35.2%；動(dòng)應(yīng)力
檢測（水頭55 m，分三個(gè)工況：機(jī)組甩50％，75% 和
100% 額定負(fù)荷）結(jié)果表明，最大等效應(yīng)力值為材料
抗力限值的46.3%。同一測點(diǎn)在甩滿負(fù)荷時(shí)的等效
應(yīng)力均高于靜應(yīng)力檢測中的等效應(yīng)力，應(yīng)力水平最
高差44%，差值為28.9 MPa。
對(duì)明管段的實(shí)測應(yīng)力與有限元計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行比
較，發(fā)現(xiàn)兩者相對(duì)差值最大為19.5%，最小為1.6%，
相對(duì)差值高于10% 的測點(diǎn)僅4 個(gè)，低于5% 的測點(diǎn)
有7 個(gè)，結(jié)果表明有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測應(yīng)力結(jié)果
有一定的吻合性。
8 結(jié)論
綜上分析認(rèn)為，五強(qiáng)溪水電站4 號(hào)機(jī)組引水系
統(tǒng)壓力鋼管安全等級(jí)評(píng)定合格。
鋼管應(yīng)力檢測和有限元仿真計(jì)算結(jié)果表明，明
管段在洪水位下甩負(fù)荷時(shí)，在明管段的混凝土墻體、
伸縮節(jié)及加勁環(huán)等附近部位應(yīng)力水平較高，達(dá)到材
料抗力限值74.4%?？紤]到鋼管結(jié)構(gòu)局部的不連續(xù)
性及腐蝕、焊接等缺陷，局部區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，
有可能達(dá)到甚至超過材料的屈服極限，在機(jī)組負(fù)荷
變化引起的水錘壓力交變作用下，鋼管長時(shí)運(yùn)行，局
部區(qū)域有可能產(chǎn)生疲勞裂紋并致破壞，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)
域部位的定期檢測與巡查。同時(shí)處理好鋼管內(nèi)壁裂
紋、伸縮節(jié)下游墻體開裂、加筋環(huán)支撐點(diǎn)裂紋及局部
腐蝕等問題。
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