高水頭水電站壓力鋼管伸縮節(jié)動力安全研究

嚴(yán)根華，孫云茜，3

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

本文依托工程的單機容量與三峽電站基本相似，左岸引水壓力鋼管尺寸類同，單機最大引用流量Q=889.25 m3/s，但在壩體與廠房之間的引水管道之間設(shè)置的伸縮節(jié)采用不同的構(gòu)造形式。三峽水電站引水壓力鋼管伸縮節(jié)部位導(dǎo)流筒曾出現(xiàn)過脫落事故，說明電站發(fā)電過程中，下泄水流產(chǎn)生了脈動荷載，誘發(fā)了伸縮節(jié)導(dǎo)流筒(套管)的結(jié)構(gòu)振動和疲勞損傷，因此，深入研究水流脈動壓力荷載對導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的動力作用，揭示其結(jié)構(gòu)的流固耦合動力特性，對其安全性進行評價，對存在問題提出抗振優(yōu)化措施，以確保發(fā)電系統(tǒng)安全運行具有重要的社會意義和工程價值。

水電站引水壓力鋼管伸縮節(jié)主要由上下游端管、中間管、外側(cè)套管、波紋管及導(dǎo)流筒和其他輔助構(gòu)件幾部分組成。伸縮節(jié)作為一種補償器，能夠發(fā)揮補償作用是由其自身的構(gòu)造所決定的：外側(cè)套管連接上下游端管和中間管，構(gòu)成伸縮節(jié)的骨架；波紋管嵌于中間管和端管之間，能夠承受縱向和橫向的位移，起到補償?shù)淖饔茫粚?dǎo)流筒置于端管和中間管的內(nèi)側(cè)，一端以焊接的形式固接于端管處，另一端為自由端，即導(dǎo)流筒為一環(huán)形懸臂結(jié)構(gòu)，其主要功能是引導(dǎo)水流，保證水流順暢，同時保護外側(cè)的波紋管免受水流的直接沖擊作用。由于波紋管位于導(dǎo)流筒外側(cè)和外套管內(nèi)側(cè)之間，其不直接承受或較少承受動水荷載作用，因而導(dǎo)流筒的安全與穩(wěn)定決定了伸縮節(jié)的工程可靠性。針對本工程布置和壓力鋼管構(gòu)造特點，考慮水動力學(xué)與導(dǎo)流筒流激振動問題比較復(fù)雜，需要通過流激振動試驗和動力數(shù)值分析相結(jié)合的方法來完善導(dǎo)流筒的水力結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保工程的安全運行。

水電站引水壓力鋼管伸縮節(jié)部位的受力主要源于伸縮節(jié)及其鄰近區(qū)域在不同發(fā)電流量條件下，水流脈動壓力對輸水鋼管邊壁，尤其對伸縮節(jié)部位的動力作用情況，因此取得水流脈動壓力的譜特征和數(shù)字特征及脈動能量在頻域的分布情況，對伸縮節(jié)導(dǎo)流筒的振動分析是必備的數(shù)據(jù)信息資料；輸水鋼管伸縮節(jié)導(dǎo)流筒的流固耦合固有振動特性是結(jié)構(gòu)振動分析的基礎(chǔ)，因此需要通過動力分析研究取得其振動頻率和振型等信息；此外通過水彈性振動模型試驗，測定導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)參數(shù)為結(jié)構(gòu)振動分析提供依據(jù)；最后優(yōu)化導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)，提出伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)抗振優(yōu)化措施和避免焊縫疲勞破壞的措施和方法，確保電站運行安全。

1 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的水動力作用特征

1.1 正常發(fā)電工況下伸縮節(jié)導(dǎo)流筒動水壓力荷載特征

電站在正常發(fā)電運行狀態(tài)下(上游水位380.0 m，流量889.25 m3/s)，作用于伸縮節(jié)導(dǎo)流管正反兩面的動水壓力屬于低頻特征的隨機荷載。從時域過程看，脈動壓力信號平穩(wěn)，無突變信號，符合正常水流運動的正態(tài)隨機過程(見圖1)。測到的最大脈動壓力峰值31.6 kPa，脈動壓力能量在頻域的分布表現(xiàn)了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內(nèi)，其優(yōu)勢頻率在2.7～2.8 Hz左右，水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。

圖1 典型測點水流脈動壓力時域過程及譜密度曲線

1.2 機組甩荷工況下伸縮節(jié)導(dǎo)流管動水壓力荷載特征

機組甩荷過程是動水作用由正常水流脈動作用轉(zhuǎn)化為水擊壓力的過程，也是動水作用顯著增加的過程。試驗根據(jù)電站甩負荷過程曲線考察了作用于伸縮節(jié)導(dǎo)流管結(jié)構(gòu)上的水錘壓力作用情況。試驗結(jié)果顯示，在上游水位380.0 m，發(fā)電流量889.54 m3/s情況下，機組甩荷時，動水壓力顯著增加，并出現(xiàn)2個沖擊壓力峰值，其中第一峰的量級較關(guān)閉前高出60～75 kPa左右，爾后的第二峰值約170～200 kPa；從頻域過程圖來看主要體現(xiàn)了閥門關(guān)閉過程中，以低頻段為優(yōu)勢頻率段。在整個甩負荷的過程中，導(dǎo)流筒正反面的壓力變化趨勢和量級基本一致。

1.3 非正常運行工況下導(dǎo)流筒動水壓力特征

在庫水位上升過程中，壓力鋼管伸縮節(jié)段經(jīng)歷一個從自由出流到摻氣流的紊動過程，再到滿管流的流態(tài)變化，其中，摻氣水流的紊動過程使動水壓力的脈動荷載明顯增加，隨著電站引水發(fā)電處于正常，作用于伸縮節(jié)導(dǎo)流筒上水流脈動壓力處于平穩(wěn)狀態(tài)，說明有摻氣流運動的過程對于壓力鋼管、導(dǎo)流筒本身亦是有害的。

2 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒的動力特性分析

工程上引水壓力鋼管伸縮節(jié)導(dǎo)流筒發(fā)生脫離破壞事故的主要原因在于導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)在動水荷載作用下發(fā)生較大振動而引起疲勞破壞，其中結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流體共振和焊縫疲勞破壞是兩大主要因素。因此需要對伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的固有振動特性進行分析。

若考慮伸縮節(jié)與上游部分非混凝土澆筑固結(jié)部分壓力鋼管的彈性作用，且將導(dǎo)流筒上游焊縫處作固結(jié)約束邊界，則在考慮流固耦合時導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的第一階振動頻率值為17.24 Hz(干模態(tài)基頻85.6 Hz)。應(yīng)當(dāng)指出，考慮流固耦合時結(jié)構(gòu)固有頻率值明顯下降，最大降幅達到80%，流體對結(jié)構(gòu)的動力特性影響很大，設(shè)計計算時必須考慮流固耦合的影響。

由水電站正常發(fā)電運行狀態(tài)下作用于伸縮節(jié)導(dǎo)流筒正反兩面的動水壓力能量譜密度可知，水流動水壓力荷載屬于低頻隨機荷載，脈動壓力能量在頻域的分布表現(xiàn)了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內(nèi)，其優(yōu)勢頻率在2.7～2.8 Hz左右；水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。而導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的流固耦合振動基頻在為17.24 Hz，因此，壓力鋼管伸縮節(jié)部位的水流脈動荷載不會對導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振作用。

3 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的流激振動響應(yīng)特征

按照正常運行、機組甩負荷等工況對伸縮節(jié)導(dǎo)流筒流激振動響應(yīng)進行試驗研究，以揭示導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)特征。導(dǎo)流筒振動模型通過特制的全水彈性材料研制。

3.1 導(dǎo)流筒振動模型的設(shè)計和制作

根據(jù)結(jié)構(gòu)運動方程，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒的水彈性模型應(yīng)當(dāng)同時滿足幾何尺寸相似，水流運動相似，結(jié)構(gòu)動力相似(質(zhì)量密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)的相似性)，經(jīng)推導(dǎo)如下參數(shù)的比尺要求為：質(zhì)量密度比尺ρr=1；彈性模量比尺Er=Lr；泊松比比尺μr=1；阻尼比尺Cr=L2.5。工程上導(dǎo)流筒采用鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，其基本物理力學(xué)參數(shù)如下，容重7.85×104N/m3，彈性模量2.10×105MPa，泊松比0.3，選定的水彈性模型幾何比尺Lr=30。水彈性模型材料按水彈性相似原理，其基本物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)如下，容重7.85×104N/m3，彈性模量1.05×104MPa，泊松比0.3。目前市場上沒有同時滿足上述參數(shù)的型材，因此，本次試驗采用的材料為南京水利科學(xué)研究院特別研制的特種水彈性材料。該材料運用重金屬粉、高分子材料等進行多組分特種材料研制，并運用專用模具特制適合本工程采用的型材。測試結(jié)果表明，選用的水彈性材料基本達到材料密度ρm=ρp′，結(jié)構(gòu)彈性模量Er=Lr的要求。

3.2 正常運行情況下導(dǎo)流筒流激振動特征

在正常發(fā)電工況下(上游水位380.0 m，流量889.25 m3/s)，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動位移響應(yīng)較小，試驗實測最大振動位移為0.2～0.5 mm，振動位移優(yōu)勢頻率在0～5 Hz之間，主要集中在3.5 Hz前后，具有受迫振動響應(yīng)特征，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒典型測點振動位移時域過程及分析如圖2所示。

圖2 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒典型測點振動位移時域過程及分析

3.3 機組甩荷情況下導(dǎo)流筒流激振動特征

機組在正常發(fā)電情況下突遇故障而緊急甩荷時，由于在輸水系統(tǒng)壓力鋼管內(nèi)產(chǎn)生水錘壓力波，導(dǎo)流筒正反兩面同時受到水擊荷載的作用，此時導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)出現(xiàn)與水錘壓力基本同步的振動響應(yīng)。從相干函數(shù)考察，振動位移與動水壓力之間在頻域上具有良好的相關(guān)性，導(dǎo)葉關(guān)閉過程動水壓力—測點位移相關(guān)函數(shù)如圖3所示。水錘壓力作用下的導(dǎo)流筒振動位移峰值為1.1 mm。其振動響應(yīng)幅值約為正常發(fā)電工況的2～5倍。

圖3 導(dǎo)葉關(guān)閉過程動水壓力—測點位移相干函數(shù)

4 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動位移和應(yīng)力數(shù)值分析

導(dǎo)流筒典型節(jié)點位移時域過程見圖4，導(dǎo)流筒典型節(jié)點應(yīng)力時域過程見圖5。從圖4、5可以看出，在考慮作用于導(dǎo)流筒正反面荷載延遲0.4 s，焊縫處固結(jié)約束條件下，機組在正常發(fā)電運行工況下各節(jié)點最大位移在0.151～0.204 mm，各節(jié)點最大應(yīng)力在6.563～8.902 MPa；甩荷工況最大位移在1.045～1.355 mm；最大應(yīng)力在45.48～58.47 MPa之間變化。甩負荷工況導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力值是正常運行工況時的2～4倍，與模型試驗位移響應(yīng)測量結(jié)果基本一致。顯然，機組甩負荷對結(jié)構(gòu)的動力影響較大。

圖4 導(dǎo)流筒典型節(jié)點位移時域過程

圖5 導(dǎo)流筒典型節(jié)點應(yīng)力時域過程

5 伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的抗振優(yōu)化設(shè)計

考慮到導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)長期處于動水作用下工作，結(jié)構(gòu)的抗振能力及抗疲勞強度需要給予高度重視。雖然導(dǎo)流筒原布置方案的振動響應(yīng)和焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力處于許可范圍之內(nèi)，但為增加導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)抗振和抗疲勞安全裕度，在防脫落板部位改設(shè)限位板，以控制結(jié)構(gòu)振動位移，進一步減小焊縫振動應(yīng)力。

5.1 導(dǎo)流筒抗振優(yōu)化方案簡介

為了控制伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力，在伸縮節(jié)下游端設(shè)置90塊限幅板，板尺寸為100 mm×50 mm×10 mm。限幅板下游端與壓力鋼管焊接，上游端與伸縮節(jié)搭接50 mm。伸縮節(jié)采用Shell63單元建模，考慮壓力鋼管端固結(jié)和流固耦合(附加質(zhì)量法)，用施加試驗所得的荷載時域過程計算其動力響應(yīng)。

5.2 伸縮節(jié)優(yōu)化方案動力響應(yīng)分析

計算考察工況分為正常運行工況和機組甩荷工況。計算成果表明，正常運行工況下各節(jié)點最大位移在0.000～0.096 mm之間變化，甩負荷工況最大位移在0.000～0.659 mm之間變化；正常運行工況下各節(jié)點最大應(yīng)力在2.199～2.767 MPa之間，甩荷工況最大應(yīng)力在14.961～19.728 MPa之間。

顯然，機組在正常發(fā)電運行或甩負荷工況下伸縮節(jié)導(dǎo)流筒優(yōu)化布置方案的節(jié)點最大動位移較原方案下降51%～53%，最大動應(yīng)力下降66.2%～68.9%，抗振優(yōu)化效果顯著。

6 結(jié) 語

通過對水電站引水壓力鋼管伸縮節(jié)導(dǎo)流筒水動力荷載試驗測量、導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的動力特性分析、導(dǎo)流筒水彈性振動試驗以及導(dǎo)流筒動位移和動應(yīng)力數(shù)值計算分析，得到如下主要結(jié)論：

(1)電站在正常發(fā)電運行狀態(tài)下，作用于伸縮節(jié)導(dǎo)流管正反兩面的動水壓力屬于低頻特征的隨機荷載。測到的最大脈動壓力峰值為31.6 kPa，脈動壓力能量在頻域的分布表現(xiàn)了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內(nèi)，其優(yōu)勢頻率在2.7～2.8 Hz左右，水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。

(2)機組甩荷過程是動水作用由正常水流脈動作用轉(zhuǎn)化為水擊壓力的過程，動水壓力顯著增加，并出現(xiàn)2個沖擊壓力峰值，其中，第一峰的量級較關(guān)閉前高出60～75 kPa左右，爾后的第二峰值約170～200 kPa。在整個甩負荷的過程中，導(dǎo)流筒正反面的壓力變化趨勢和量級基本一致。

(3)考慮流固耦合時導(dǎo)流筒第一階振動頻率值為17.244 Hz，振型分段數(shù)為20，每個振型的分段數(shù)不同。對于每一彎曲振動模態(tài)，總存在同頻率、相位差90°、空間差1/2波長正交的兩個彎曲振型?？紤]流固耦合時振動模態(tài)頻率值顯下降，降幅最大為80%。流體對結(jié)構(gòu)的動力特性影響較大，數(shù)值計算時必須考慮流固耦合的影響。

(4)導(dǎo)流筒水流脈動壓力的優(yōu)勢頻率集中在2.7～2.8 Hz之間，5 Hz以上的脈動能量已經(jīng)大大衰減，導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)一階基頻為17 Hz，因此，機組運行時一般不會引發(fā)結(jié)構(gòu)流體共振現(xiàn)象。

(5)在正常發(fā)電工況下，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動位移響應(yīng)較小，而當(dāng)機組突遇故障而緊急甩負荷時，水錘壓力作用下的導(dǎo)流筒振動位移幅值迅速增加，約為正常發(fā)電工況的2～5倍，且導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)與水錘壓力基本同步；從相關(guān)函數(shù)考察，振動位移與動水壓力之間在頻域上具有良好的相關(guān)性。

(6)伸縮節(jié)導(dǎo)流筒優(yōu)化布置方案動力響應(yīng)參數(shù)測量結(jié)果顯示，機組在正常發(fā)電運行或甩負荷工況下，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒優(yōu)化布置方案的節(jié)點最大動位移較原方案下降51%～53%，最大動應(yīng)力下降66.2%～68.9%，抗振優(yōu)化效果顯著。

(7)導(dǎo)流筒疲勞強度分析結(jié)果顯示，伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)在動荷載作用下滿足抗振動疲勞安全要求，增設(shè)導(dǎo)流筒限幅板后對抗疲勞能力具有更大安全裕度。

(8)試驗結(jié)果還指出，伸縮節(jié)導(dǎo)流筒開設(shè)平壓孔對水流動水壓力沒有產(chǎn)生明顯影響，因此可以考慮不設(shè)平壓孔。