SHM 技術在水電站鋼岔管水壓試驗中的應用

關 磊，余鵬翔，邱叢威，陳韶哲

（1.水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310024；2.中國葛洲壩集團機械船舶有限公司，湖北 宜昌 443007）

1 概述

1.1 SHM 技術

結構健康狀態監測（Structural Health Monitoring，簡稱SHM）是通過傳感網絡采集結構信息來分析判斷結構的健康狀態，實現自動化結構性能評估和損傷識別，從而達到在結構發生早期損傷或者疲勞裂紋萌生時及時采取修復性措施，避免結構產生不可修復的破壞。

SHM 技術是多學科理論、方法和技術相互交叉的一個學科，主要包括感知和決策兩大環節，關注的參量取決于監測對象的結構。它是利用各類傳感器對結構的溫度、濕度等環境參量和結構的位移、應力等響應參數進行監測，對監測數據進行分析，并對能體現結構健康狀態的特征信息進行重點提取和研究，進而為結構的安全評估、維修和加固等工作提供科學決策。

根據系統功能的不同，結構健康狀態監測可分為主動監測與被動監測兩種[1]，本文所述的監測類型主要為主動監測。水壓試驗時，通過對鋼岔管內部注水加壓，本體結構產生激勵信號，傳感器接收結構的響應信號，當結構狀態發生變化時，傳感器監測信號發生改變，通過分析損傷信號的特征對結構進行監測。

1.2 工程概況

某水電站鋼岔管制造及水壓試驗創下了多項世界之最：第一，800 MPa 級鋼岔管制造母材和焊材高度國產化；第二，月牙肋厚度144 mm 是目前全球范圍內使用板厚最大的800 MPa 級水電鋼；第三，鋼岔管支管內徑2.12 m，管殼厚度72 mm，徑厚比系數創該級別鋼種世界極限；第四，按1.25 倍設計壓力確定的水壓試驗壓力13.36 MPa 是同強度級別鋼岔管水壓試驗壓力之最。

2 水壓試驗

水壓試驗是水電站制造安裝過程中的重要節點之一，主要作用是對鋼岔管的制作和焊接施工質量進行檢驗，并驗證結構設計的可靠性[2]，同時通過水壓試驗還可以達到消除或部分消除鋼岔管在焊接過程中產生的峰值應力，并使良性的缺陷尤其是尖狀缺陷鈍化，防止這些缺陷在運行過程中擴張，保證鋼岔管的運行安全。本次采用1 號、2 號鋼岔管聯合打壓的方式進行，試驗時，將兩岔管的主管對接，支管與悶頭對接，形成密閉容器。整個岔管水平自由臥放在多個鞍形支架上，岔管底點離地600 mm，支架焊接在整體鋼板上，有足夠的剛性。

水壓試驗采用重復逐級加載的方式緩慢增壓，以削減加工工藝引起的部分殘余應力，使結構局部應力得到調整、均化并趨于穩定，使測試數據能反映岔管的彈性狀況。水壓試驗過程中，加載速度以不大于0.05 MPa/min 進行[3]。水壓試驗分為兩個階段，即預壓試驗和正式水壓試驗，預壓試驗過程為：0 MPa——升壓至 2.0 MPa，穩壓30 min——卸壓至0 MPa，穩壓時，對岔管焊縫、試驗管路進行檢查，應無滲水和其它異常情況，正式水壓試驗過程如圖1 所示。

圖1 水壓試驗過程曲線

3 水壓試驗結構健康狀態監測

3.1 概述

水壓試驗具有一定的風險性，為確保水壓試驗安全，在水壓試驗全過程應用SHM 技術，以實時掌握分析鋼岔管在水壓試驗過程中的結構健康狀態。本次水壓試驗運用了聲發射監測技術、無線應力傳感技術、金屬磁記憶檢測技術、X 射線衍射法殘余應力測試技術、位移傳感技術和紅外測溫技術等，主要測試傳感器布置示意圖如圖2 所示，以下對關鍵技術和監測成果分別進行介紹。

圖2 傳感器布置示意圖

3.2 聲發射監測

聲發射是指材料局部能量的快速釋放而發出彈性波的現象[4]，聲發射監測技術是一種動態非破壞監測技術，可提供缺陷隨荷載、時間、溫度等外變量而變化的信息，適合于在線監控早期或臨近破壞預警，通過對聲發射源的采集和分析，對材料的運行狀況進行綜合的評價，為材料的安全運行提供科學的數據。

鋼岔管在水壓試驗升壓和保壓過程中，在承受內水壓力的載荷作用下，表面或內部存在的缺陷將會產生聲發射源。聲發射監測系統對結構的安全性進行監控，并確定聲發射源的部位、綜合等級等，以判定缺陷的危害程度，為鋼岔管水壓試驗的安全提供技術保障。

聲發射監測主要監控對象為鋼岔管月牙肋與錐管焊縫、主錐環向焊縫，傳感器距離焊縫20 cm，兩傳感器間距不大于1.5 m。

圖3 月牙肋與錐管焊縫定位圖

監測結果表明：鋼岔管在升壓及保壓過程中進行聲發射監測，未發現明顯有意義的聲發射定位源，圖3 和圖4 為鋼岔管在水壓為12 MPa～13.36 MPa以及13.36 MPa 保壓階段的聲發射監測定位圖，由圖4 可以看出，在24 號探頭附近出現高活性、中強度的聲發射定位源。水壓試驗后，運用脈沖反射法超聲檢測發現24 號探頭與25 號探頭之間焊縫有一處點狀非超標缺欠，缺欠深度28.6 mm，波幅H0-2.8 dB，該缺欠為良性缺欠，并不影響焊縫質量。因此，結合相關測試數據，鋼岔管在整個水壓試驗過程中運行良好。

圖4 主錐環向焊縫定位圖

3.3 應力監測

本次應用電測法[5]和傳感器信號無線傳輸技術[6]實時監測水壓試驗過程中鋼岔管的結構應力，任何一點的應力分量值不應超過材料的允許應力值[7]，否則停止加壓。另外，通過應力應變監測可以分析鋼岔管結構的應力分布規律[8]，監測成果可以與設計計算成果進行比較，為后期的安裝和運行提供基礎數據支撐。

根據月牙形內加強肋岔管的受力特征[9]，岔管應力測試的重點部位為鈍角區、肋板旁管殼區和月牙肋板處。管殼測點在內、外壁對應布置，以測試膜應力和局部彎曲應力，月牙肋板測點，管內布置在靠近內緣的側面，管外布置在月牙肋板的外緣，根據岔管結構上下對稱特性，測點集中布置在岔管的下半部分。

水壓試驗過程中1 號、2 號鋼岔管最大應力測點的水壓—應力曲線如圖5 所示，監測過程中未出現應力峰值異常變化現象，各測點環向分量應力值隨內水壓力的升高而增大，基本呈線性變化。在水壓為10 MPa 時，線性斜率開始變小，說明在該水壓下材料或焊縫內部存在的殘余應力逐步得到消除或尖狀缺陷逐步得到鈍化。在水壓為13.36 MPa 時，1號鋼岔管最大應力值為429.3 MPa，小于允許應力值481 MPa；2 號鋼岔管最大應力值為407.6 MPa，小于允許應力值481 MPa，上述兩點的如圖5 所示。

圖5 最大應力測點在水壓試驗過程中的水壓—應力曲線

3.4 變形量監測

鋼岔管在內水壓增大時，體積膨脹會產生變形，鋼岔管特殊的外形會在不同的位置產生不同的變形量。采用應變式位移傳感器對鋼岔管重點部位進行變形量實時監測，以得到水壓試驗過程中岔管外形的變化趨勢，并采用有限元計算的變形值作為預警值，以保證水壓試驗過程中鋼岔管的安全。傳感器主要布置在岔管及月牙肋的腰部、頂部和底和岔管對接部位。

監測結果表明：水壓試驗過程中未出現變形量異常變化現象，各測點變形值隨內水壓力的升高而增大，基本呈線性變化。鋼岔管在水壓為13.36 MPa時，1 號鋼岔管最大變形值為5.373 mm，位于錐管和支管連接焊縫測點處，2 號鋼岔管最大變形值為3.585 mm，位于錐管和支管連接焊縫測點處，上述兩點的水壓試驗過程水壓—變形量曲線如圖6 所示。

圖6 最大變形量測點在水壓試驗過程中的水壓—變形量曲線

3.5 殘余應力測試

鋼岔管的結構特點是鋼板厚、焊縫多、約束度大，在焊接過程中雖然采取成熟的焊接工藝[10]，但焊接是一個局部熔化、局部高溫、溫度梯度極高、溫度快速升高快速下降，并且發生結晶和相變的過程。在實際操作中，不可避免地出現焊縫高溫區的膨脹受到周邊低溫區的限制與擠壓，使高溫區域產生局部壓縮塑性變形，焊接部位在冷卻過程中，塑性變形未能自由收縮，從而產生殘余應力。

水壓試驗作為消除殘余應力的主要工藝方法得到廣泛地應用。為檢驗水壓試驗消除殘余應力的效果[11]，選取殘余應力較大的區域在水壓試驗前后分別進行殘余應力測試，為使測試數據具有對比價值和科學意義，水壓試驗前后選取同一位置進行殘余應力測試。

測區的選擇是先根據鋼岔管有限元計算結果，結合鋼岔管焊縫的實際分布特性，選取關鍵、有代表性的高應力區，再采用金屬磁記憶檢測技術[12]確定應力集中區域作為殘余應力測試區。

X 射線衍射法[13]是利用晶面間距隨應力變化來計算殘余應力，其理論和實踐都比較成熟，因此，本次采用該方法進行殘余應力的測試。水壓試驗前，對鋼岔管進行殘余應力測試，記錄成果，水壓試驗完成后，在相同位置再次進行測試，記錄成果，并與試驗前的測試成果進行對比分析，分析水壓試驗消除殘余應力的效果。

打磨去除測區內的焊縫余高，使之與兩側的母材齊平，并使用電解拋光技術對測區進行電解拋光，以去除磨削應力并保持拋光區域光滑，并清晰顯示母材和焊縫的熔合線為宜。每個測點分別測試X向即平行于焊縫方向和Y 向即垂直于焊縫方向的應力值。

測試結果表明：1 號鋼岔管水壓試驗前各測區的X 向最大壓應力-424 MPa，最大拉應力460 MPa，Y 向最大壓應力-275 MPa，最大拉應力602 MPa，水壓試驗后上述各點的應力值分別為-363 MPa、246 MPa、-181 MPa、375 MPa，殘余應力降低率分別為：14.4%、46.5%、34.2%、37.7%，水壓試驗消除殘余應力效果明顯。2 號鋼岔管水壓試驗前各測區的X向最大壓應力-326 MPa，最大拉應力330 MPa，Y 向最大壓應力-244 MPa，最大拉應力448 MPa，水壓試驗后上述各點的應力值分別為-243 MPa、285 MPa、-120 MPa、348 MPa，殘余應力降低率分別為：25.5%、13.6%、50.8%、22.3%，水壓試驗的消除殘余應力效果明顯。

4 結論

水電站引水系統采用一洞兩機或一洞多機的布置形式可大大減少土建開挖成本，鋼岔管也越來越普遍地被采用，高水頭、大容量電站的發展趨勢也將給鋼岔管的制造帶來新的挑戰，尤其是新鋼種、新結構、大厚度高強鋼的使用，水壓試驗作為檢驗鋼岔管設計、制造質量的主要手段越來越受到重視。

SHM 技術為水壓試驗提供技術保障，在引水系統安全穩定運行中起到的重要作用逐步得到業內專家和參建各方的認可，越來越多的重點工程成功應用該技術。本次水壓試驗的成功經驗可為同類工程提供借鑒，并為水電站鋼岔管的設計、制造和相關標準的制修訂提供基礎技術數據。