桃林口水库大直径不锈钢波纹补偿器应用

桃林口水库大直径不锈钢波纹补偿器应用

1工程规模、水质桃林口水库位于河北省青龙县道河水库，工程分为两卷。一期工程为二等工程,坝顶高程146.5m,最大坝高74.5m,坝顶长500m,坝型为碾压混凝土重力坝。正常蓄水位143.4m,总库容8.59亿m3,电站装机2×10MW,多年平均发电量6275万kW·h。二期工程正常蓄水位158.8m,总库容17.8亿m3,死水位104m,二期工程为一等工程,大坝为一级建筑物,正常运用洪水为500年一遇,非常运用洪水为5000年一遇。坝顶高程163.3m,最大坝高98.3m,坝顶长526.64m,电站装机3×10MW,多年平均发电量9330万kW·h。电站压力管道采用深式压力短管设计,进口高程90.0m,管径3m。在30m水头时,单管发电流量约40m3/s,选用HLA208-LJ-180型机组,单机容量10MW。一期工程于1992年11月5日开工,1998年12月31日两台机组试运转发电,已于2000年9月1日通过竣工验收。2用不锈钢声波补偿器取代传统承插式伸缩节电站设于大坝右岸坝后。三根3m直径的压力钢管背管外包钢筋混凝土,压力管道伸缩节设于压力管道水平段后和机组前。因大坝和电站基础均坐落在同一震旦亚界长城系大红峪组岩层上,岩石致密坚硬,所以钢管虽没有不均匀沉陷问题,但考虑到安装时钢管“凑合节”的需要和运行过程中的温度变位和大坝温度应力的影响,仍需要在压力管道上设置一道伸缩节。过去传统的做法是采用承插式套筒结构,由于直径已达3m,加工难度大,如果考虑止水问题,还必须设置检修室,对桃林口水库工程这种基础来说,其必要性又不大,因此需要有另一种结构来取代传统的承插式伸缩节。南京晨光机器厂过去生产的不锈钢波纹补偿器多用于化工、航天、热电厂等行业,用于水利水电工程始于1988年。当时笔者在青海省水电设计院工作,由于李家峡灌区有一座100余米高的高边坡扬水机站,其边坡全是湿陷性黄土,传统承插式伸缩节的点滴漏水都有可能造成严重的滑坡事故,当时是在无路可走之际才想到了南京晨光机器厂的波纹补偿器。当年的主要思想顾虑是其强度、刚度和耐久性能否达到要求,后来组织了几次考察,了解到这种补偿器的破坏性试验情况后,才消除了设计人员的疑虑。从1988年安装到现在已十余年,还没有听到有漏水情况的反映。基于这个实例,笔者向桃林口水库业主、工程监理和河北省水电设计院建议采用南京晨光机器厂生产的这种补偿器,以取代传统的承插式伸缩节。这也是国内第一个用于水利水电工程压力管道上的大直径不锈钢波纹伸缩节,得到了桃林口水库工程指挥部领导和河北省水电设计院领导、北京院工程监理和河海大学的支持。为了慎重,由监理、设计共同对生产厂进行了认真考察。合同签订后,南京晨光机器厂积极配合用户,精心设计,精心加工。这样,在设计单位、监理和生产厂的共同努力下,出厂试验压力超过了150m水头,超过设计压力2倍以上,顺利通过了出厂验收。3结构措施的要求水利水电工程中压力钢管对伸缩节的要求除了一般的水密性、三向变位的适应性要求外,还有以下特点:(1)除了钢管的内(外)水压力外,在大HD值情况下,往往还要承受较大的正负水锤冲击压力,所以,不仅要求伸缩节的强度满足要求,对其刚度稳定性要求更高,必须要有相应可靠的结构措施来保证钢管和伸缩节的稳定。(2)管内输送的介质大多是天然河道的水,不仅有大量悬移质,而且还有可能含有各种粒径的推移质,这就要求伸缩节有“疏导”不“留存”这些固体物质的功能。(3)在有些情况下,管道的摩阻损失是设计人员考虑的重要因素,所以要采取措施,尽量减小伸缩节的局部水头损失。(4)由于水利水电工程的压力钢管大多在室外,无人专门管理,检修一次也不容易,而一旦失事,损失和影响都较大,因此对伸缩节的安全性要求就更高。(5)水利水电工程中的钢管温度变形特征是:“缓慢、低速、双向”,即它的变位是随温度缓慢、低速、往复双向进行的,有一个比较确定的中间复位位置,除地震、基础沉陷等事故情况外,没有剧烈的往复振动。这一特点对波纹伸缩节的结构设计来说尤为有利,只要单波变形量选值适当,其疲劳寿命将大大超过钢管本身的寿命。4外凸波加强环+内道装环根据水利水电工程、特别是水电站压力钢管的工作特点,在不锈钢波纹伸缩节的创意设计过程中,笔者曾与南京晨光机器厂同志切磋过,认为完全可以采取以下四项措施,从结构设计上来满足水电站的这些工况特点要求。(1)根据南京晨光机器厂和很多资料计算,不锈钢波纹管在单独承担内水压力(包括正水锤压力)方面,其外凸波的强度是很容易满足的,关键是内凸波的稳定问题,所以南京晨光机器厂在每个内凸波外增加了一个“铠装环”。这一措施估计HD值在1000m·m以内是完全可以满足设计工况要求的。有时,如果外压力(包括负水锤压力)较大,通过计算也表明可能危及外凸波稳定时,笔者建议可以像加强内凸波一样,在外凸波内也增加一个内“铠装环”来解决。(2)为了减少管道摩阻损失和有利于疏导介质内的固体物质,在一般管内流速不高的情况下,南京晨光机器厂采用在管内加一个导流筒的措施是简单而适用的。当介质中固体物质含量较高时,为了完全杜绝外凸波谷内的沉积,笔者建议可以用在波纹伸缩节的外凸波波谷里充填PU膏占位的办法。这一措施既可完全避免固体物质在波谷中沉积,也明显提高了波纹伸缩节的工作安全度。同样,在内凸波外面的波谷里也可以用PU膏充填,既可防止异物嵌入,影响伸缩节的伸缩,也可起保护不锈钢波纹的作用,不必再加保护套。(3)当内/外压力较高、管径与压力又很大,HD值超过3000m·m以上,不锈钢波纹板的厚度不可能再增加时,还要以在每个外凸波外面加一个紧贴外凸波的加强环,将外、内铠装环分别支撑在外加强环和内导流筒上,但在外凸波加强环之间要留出足够的补偿间隙。内导流筒筒壁不宜太厚,否则可能影响伸缩节的正常伸缩。(4)必要时,为了增加不锈钢波纹的柔性,可以用多层不锈钢板叠合后同时滚压成型,但笔者认为,一般情况下两层就可以了,层数太多也未必有利。以上这些措施并不需要在每一个伸缩节上都同时采用,而要根据钢管工况和设计具体要求决定取舍。5结构形式设计桃林口水库电站压力管道不锈钢波纹伸缩节由河北省水利水电勘测设计研究院和南京晨光厂联合设计。钢管内径3m,壁厚18mm,设计水头100m,设计试验压力1.25MPa,实际出厂试验压力1.5MPa。为了增加角变位补偿量,设计采用了在四波中间加一平直段的设计方案。波纹管内有两段叠合的导流套管,在内凸波内和前后外凸波与钢管连接处各增加了一个外铠装环。波纹管外用8mm厚的封闭套保护(留出了一条环缝未焊,以利伸缩)。6压力钢管整体安装后法第2次检测桃林口水库压力钢管不锈钢波纹伸缩节于1996年8月安装完毕。安装时为了增大伸缩节的刚度以保证伸缩节的椭圆度满足两端连接钢管的接缝公差要求,安装前将伸缩节竖直放置,在两端各焊接了一段1.5m长、焊有外加劲环的连接段,然后整体吊装就位。安装后,监理工程师和安装人员进入管内检查导流筒的间隙,对伸缩节进行了单项验收。压力管道安装完毕后连同钢管一道进行压力钢管整体试压,通过了分部工程验收,质量被评为优良。自1998年12月31日两台机组发电试运转以来,波纹管伸缩节运用正常。而在同一条钢管上安装的两个同直径承插式伸缩节,1999年5月因漏水不得不停机更换盘根。2000年5月15日笔者到电站回访,使用单位的书面意见是:电站经过一年多的试运行,至今还没有发现波纹管伸缩节有任何异常的情况。采用此种结构有如下几个优点:(1)不漏水,不需要进行检修;(2)可以取消检修室,减少水工建筑物造价;(3)安装简单,可代替钢管“凑合节”,完全消除安装焊接应力。7管的“疲劳寿命”问题不锈钢波纹伸缩节通过十余年来在水利水电工程中的应用实践,目前已日趋完善,过去对它的种种担心都已被各种相应的结构措施所克服。关于波纹管的“疲劳寿命”问题,笔者需要再强调的是: