塔貝拉水電站超大型波紋管伸縮節(jié)現(xiàn)場制作安裝技術(shù)

岳 廷 文，金 勝，萬 天 明

(中國水利水電第七工程局有限公司 機電安裝分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

波紋管伸縮節(jié)作為管道中的柔性系統(tǒng)，其主要作用是補償管道因溫度影響或不同地基的沉陷引起的熱脹冷縮、位移變形，其核心元件是不銹鋼金屬波紋管伸縮節(jié)。在運行過程中，波紋管伸縮節(jié)除產(chǎn)生位移外，還要承受工作壓力，因此，其也是一種承壓的彈性補償裝置，故保證其安全、可靠地工作十分重要。

塔貝拉水電站四期擴建項目裝機3臺，單機容量為470 MW，總?cè)萘繛? 410 MW，由一趟引水鋼管聯(lián)合供水。原鋼管直徑為10 973 mm，埋設于山體內(nèi),通過洞口外新增波紋管伸縮節(jié)后，由一段倒錐管漸變擴大為直徑13 000 mm的主管，再通過4個岔管分為3條發(fā)電洞和2條泄洪洞。洞內(nèi)引水壓力鋼管設計直徑D=10 973 mm，設計水頭H=165 m，HD值=1 811 m2>1 500 m2，已屬于超大型波紋管伸縮節(jié)范圍。由于受港口起吊重量、長距離道路運輸?shù)葏?shù)的限制，該電站的波紋管伸縮節(jié)包括壓波、焊接、水壓試驗等均在現(xiàn)場進行。筆者對各個重要環(huán)節(jié)的控制進行了分析解剖，可供設計、施工等同行參考。

2 結(jié)構(gòu)設計資料

高程：400 m以下；工程所在區(qū)域夏季炎熱，3～7月平均氣溫為21.7 ℃～31.5 ℃，最高可達40 ℃，12月至次年2月較寒冷，月平均氣溫為13 ℃～15.5 ℃，晝夜溫差大，夜間最低可至0 ℃。空氣平均濕度為80%。溫度變化：±20 ℃；波紋管伸縮節(jié)內(nèi)的介質(zhì)：水；pH值：7.4；波紋管伸縮節(jié)內(nèi)的設計流速：發(fā)電時為13.96 m/s(引用流量為1 320 m3/s)，泄洪時為23.26 m/s(泄洪量2 200 m3/s)；地震設防烈度為VIII度(基本地震加速度為0.25 g)。

主要參數(shù)見表1。

設計4層、壁厚為2 mm的06Cr19Ni10不銹鋼重疊壓制，波數(shù)為3道，波距為80 mm，波高為120 mm，詳見圖1。

表1 波紋管伸縮節(jié)主要參數(shù)表

注：總變位量為表1中正負量之和。

3 現(xiàn)場壓波

3.1 建立平臺

現(xiàn)場施工場地沒有制造廠內(nèi)的大型旋轉(zhuǎn)制作平臺，因此，如何推動波體穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)是一個需要解決的難題。結(jié)合現(xiàn)場情況，項目部技術(shù)人員經(jīng)過多次反復進行技術(shù)討論，最終確定在現(xiàn)場吊車覆蓋范圍內(nèi)設置一個混凝土鋼平臺，平臺面積為15 m(長)×15 m(寬)，以滿足波紋管伸縮節(jié)直徑需要，鋪上δ=20 mm厚的鋼板并用水準儀進行測量，調(diào)整高程誤差在±3 mm以內(nèi)，加固牢固。

在鋼平臺上布置一臺壓波機以及6個鋼支墩，每個鋼支墩頂部設置2根徑向托輥，其高度和壓波機托輥保持一致，如此實施壓波機的主從動輪在旋轉(zhuǎn)時就很容易帶動鋼管整體旋轉(zhuǎn)，從而形成旋轉(zhuǎn)制作平臺。

圖1 超大型波紋管示意圖

3.2 不銹鋼的焊接

計算每層不銹鋼的周長，將4層、2 mm厚的不銹鋼從內(nèi)到外依次組裝焊接，焊接采用TIG焊，焊接前清除其表面的油污、鐵銹等雜物，確保氬氣的純度，做好防風工作以保證焊接質(zhì)量。由于其只有2 mm的薄壁，故對接焊縫采用不開坡口、單面一次焊透的工藝。

4層不銹鋼重疊組裝后，使用專用工具壓緊并在組裝端頭每間隔500 mm焊接100 mm的加固焊。由于其整體強度滿足不了圓度的需要，在壓波前必須用工裝加強其強度方能滿足壓波需要。用卷制好的、寬度b=150 mm、厚度δ=20 mm的圓弧形鋼板(屬于臨時工裝)間斷焊接固定在不銹鋼圓弧軸線兩端頭，加固牢固后其內(nèi)部用米字型無縫鋼管進行支撐，調(diào)整不銹鋼鋼管的圓度至規(guī)范范圍內(nèi)，并使不銹鋼鋼管保證一定的剛度，避免其在壓波過程中滑動。

3.3 現(xiàn)場壓波

用60 t門式吊車將不銹鋼管吊放到托輥上，按照圖紙調(diào)整好尺寸，準備壓波。

啟動壓波機，將主動輪對準壓制線，使主動輪頂住鋼管內(nèi)壁開始旋轉(zhuǎn)。為防止陰波凹陷，手動調(diào)整管坯外壁上下從動輪5～10 mm范圍內(nèi)輔助輪的位置。為防止管壁打皺，首先分別在中間線處和上劃線上側(cè)滾出深度為10～15 mm的凸起，然后在上下從動輪之間用主動輪循環(huán)滾壓，將每圈的給進量控制在8～10 mm，滾出波紋。重復以上步驟，從下到上依次壓制3道波紋。

4 不銹鋼和高強鋼的焊接

為確保不銹鋼(06Cr19Ni10)和高強鋼(07MnMoVR)的焊接結(jié)合性滿足要求，保證焊縫的塑性、韌性以及抗裂性，首先在高強鋼一側(cè)采用不銹鋼焊條進行堆焊，以達到在自由狀態(tài)(拘束度極小)的情況下完成不銹鋼金屬的隔離層焊接，該堆焊部分焊接完畢需進行表面檢查，如發(fā)現(xiàn)有裂紋，則需用磨光機打磨后再焊補直至裂紋清除，最后再進行堆焊層和不銹鋼的焊接。如此實施即可達到在拘束條件下進行同種材質(zhì)鋼材的焊接，可以避免或減小不銹鋼和高強鋼異種材質(zhì)接頭焊接產(chǎn)生裂紋的傾向。

5 內(nèi)套管的安裝及水壓試驗

超大型波紋管伸縮節(jié)的單節(jié)在制造廠內(nèi)制作完畢需進行水壓試驗。試驗壓力為設計工作壓力(1.65 MPa)的 1.5 倍，即最高水壓試驗壓力為2.4 MPa。

5.1 打壓方案的確定

波紋管伸縮節(jié)的水壓試驗目的主要是檢查波紋部分的設計與施工質(zhì)量。如果將管節(jié)整體進行水壓試驗，則需要在兩個端頭設置直徑為10 973 mm的悶頭或者通過額外增設過渡錘，減小直徑，安裝小直徑悶頭，但這兩種方式的成本花費極高，故最終經(jīng)技術(shù)討論后決定在鋼管內(nèi)部設置一直徑為10 933 mm(直徑比波紋管伸縮節(jié)內(nèi)徑小20 mm)、長度為1 000 mm、δ=40 mm的鋼管作為一個專用打壓筒，再在打壓筒兩端各貼加厚度δ=20 mm、寬100 mm的環(huán)條板進行水壓腔室封堵焊接，使其與波紋管伸縮節(jié)共同形成一密封的容器。為保證打壓內(nèi)襯具有相當?shù)膭偠?，?jīng)計算，在內(nèi)襯管內(nèi)壁加裝3層δ=30 mm、h=500 mm的加勁環(huán)，以滿足水壓試驗的需要。水壓試驗密封腔室結(jié)構(gòu)見圖2。

5.2 水壓試驗的實施

先將波紋管伸縮節(jié)承受的水壓緩慢升至設計壓力 1.65 MPa ,保壓 10 min，檢查無異常后繼續(xù)緩慢升壓至試驗壓力 2.4 MPa。根據(jù)工程師的要求，按照美國土木工程師協(xié)會ASCE79標準保壓120 min檢查無異常后再緩慢降至設計壓力,保壓 30 min，最后緩慢降至0 MPa。在水壓試驗過程中波紋管伸縮節(jié)無滲漏、無可見的異常變形、無異常響聲，試驗結(jié)論為合格。

1.封口圓鋼;2.打壓內(nèi)襯筒;3.不銹鋼波紋管;4.保護鎧甲;5.伸縮螺桿圖2 水壓試驗密封腔室結(jié)構(gòu)示意圖

6 結(jié) 語

通過對塔貝拉水電站超大型波紋管伸縮節(jié)現(xiàn)場制作安裝技術(shù)進行研究與應用，積累了在水電站引水發(fā)電系統(tǒng)超大型波紋管伸縮節(jié)現(xiàn)場制作、安裝技術(shù)的施工應用經(jīng)驗，可為日后同類大型波紋管伸縮節(jié)制作安裝提供指導，并在今后同類水工金屬結(jié)構(gòu)制作中推廣和應用。同時，該技術(shù)也將改變波紋管伸縮節(jié)制作的傳統(tǒng)思維：大型波紋管伸縮節(jié)在一定的客觀條件下也可以在施工現(xiàn)場制作，而不是一定要在生產(chǎn)廠家制作。如此實施可解決道路運輸受空間、重量限制的難題。