黃龍灘電站1號(hào)廠房壓力管道安全性復(fù)核方法

辛利春，胡世喜，趙 喆

(中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014)

湖北黃龍灘水電站位于漢江最大支流堵河下游，距離十堰市約30 km。黃龍灘水庫(kù)大壩壩型為混凝土重力壩，壩面長(zhǎng)度371 m，最大壩高107 m，壩頂高程252 m。水庫(kù)正常蓄水位247 m，死水位226 m。

電站共安裝4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，均采用單管單機(jī)布置，分先后兩期建成?？傃b機(jī)容量510 MW。電站一期工程為大壩和1、2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組(1號(hào)廠房)建設(shè)，1974年5月、6月兩臺(tái)機(jī)相繼投產(chǎn)發(fā)電。由于電站建成投產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，從運(yùn)行安全角度出發(fā)，須結(jié)合日常實(shí)測(cè)資料對(duì)引水道壓力鋼管強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核，以決定電站今后運(yùn)行對(duì)策及注意事項(xiàng)。

本文通過(guò)介紹黃龍灘1號(hào)廠房1號(hào)機(jī)組壓力管道安全性復(fù)核方法，旨在為類(lèi)似運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)水電站的引水道復(fù)核工作提供借鑒。

1 壓力鋼管強(qiáng)度計(jì)算復(fù)核

1.1 壓力管道布置及其相關(guān)參數(shù)[1]

本工程采取單元引水方式，經(jīng)兩條引水道分別向二臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組供水。每條引水道由壩式進(jìn)水口和埋藏式鋼管道兩部分組成，見(jiàn)圖1。

由本工程水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算可知，本電站①號(hào)、②號(hào)引水道長(zhǎng)度分別為242.013、225.428 m，兩者相差僅6.9%，沿程內(nèi)水壓力控制值相近，①號(hào)機(jī)內(nèi)水壓力值相對(duì)較大。①號(hào)、②號(hào)引水道沿程管道參數(shù)變化較一致，鋼管周邊外水壓力值相差不大，故本次復(fù)核選?、偬?hào)引水道各管段作為代表管段進(jìn)行計(jì)算，外水壓力標(biāo)準(zhǔn)值選取同一范圍監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)值中的較大者。

①號(hào)引水道自樁號(hào)0+024.8 m以后，壓力管道均采用鋼管襯砌，鋼管直徑6.5 m(與蝸殼連接段為5.2 m)，壁厚10～20 mm，鋼管及加勁環(huán)采用16Mn低合金結(jié)構(gòu)鋼板制作(對(duì)應(yīng)新規(guī)范Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼)；接近廠房一段增厚至22 mm，采用15MnTi低合金結(jié)構(gòu)鋼板制作(對(duì)應(yīng)新規(guī)范Q390低合金結(jié)構(gòu)鋼)。

整個(gè)引水道上平段上游側(cè)鋼管設(shè)置加勁環(huán)，下平段漸縮管下游側(cè)為光面管，其余管段除了設(shè)置加勁環(huán)外，均設(shè)置有加勁錨筋，規(guī)格為24Φ20@1600及36Φ20@1800兩種。

1.2 地質(zhì)條件

引水道通過(guò)河床左岸高程200.0～220.0 m臺(tái)地的下部。外包混凝土管段底部為基巖，大部分為微風(fēng)化的富含大顆粒石榴子石白云母石英鈉長(zhǎng)片巖及富云母石英鈉長(zhǎng)片巖，巖石具有足夠的承載能力；地下埋管段最大埋深約45～50 m，由地表至新鮮巖石的深度約25～30 m。隧洞進(jìn)口、出口段通過(guò)弱風(fēng)化巖石，節(jié)理裂隙較為發(fā)育；洞身段大部分通過(guò)新鮮至微風(fēng)化帶巖石，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育。

1.3 復(fù)核依據(jù)

1.3.1 工程等級(jí)、建筑物級(jí)別及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)

1)工程等級(jí)。黃龍灘水電站水庫(kù)庫(kù)容12.28億m3，攔河壩壩高107 m，總裝機(jī)容量510 MW。根據(jù)GB50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》及DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，確定本工程為一等工程，工程規(guī)模為大(1)型。

2)建筑物級(jí)別。根據(jù)DL5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，確定發(fā)電引水系統(tǒng)等主要建筑物為2級(jí)建筑物，結(jié)構(gòu)安全級(jí)別為Ⅱ級(jí)。

3)壓力管道安全標(biāo)準(zhǔn)。鋼管抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)Kc取值：地下埋管光面管管壁≥2.0；地下埋管加勁環(huán)和其間管壁≥1.8；鋼襯鋼筋混凝土管加勁環(huán)和其間管壁≥1.8。

1.3.2 計(jì)算原則及內(nèi)外水壓力設(shè)計(jì)值的選取[2-3]

本工程區(qū)域地震烈度為Ⅵ度，且壓力管道為地下工程，根據(jù)NBT 35047-2015 《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，可不進(jìn)行抗震計(jì)算。

計(jì)算假定鋼管結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下工作，采用承載力極限狀態(tài)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，擬定持久、短暫、偶然三狀況，分別進(jìn)行取值復(fù)核。擬定的主要工況如下。

1)工況一(持久工況)。水庫(kù)正常蓄水位247.00 m，最大水頭85.18 m，對(duì)應(yīng)尾水位160.88(計(jì)算確定)，2臺(tái)機(jī)組額定出力正常運(yùn)行時(shí)，突甩全負(fù)荷(2臺(tái)→0臺(tái))，最高內(nèi)水壓力下鋼管結(jié)構(gòu)分析復(fù)核計(jì)算。

2)工況二(偶然工況)。校核洪水位253.90 m，下游校核尾水位177.81 m，2臺(tái)機(jī)組超額定出力10%正常運(yùn)行時(shí)，突甩全負(fù)荷(2臺(tái)→0臺(tái))，最高內(nèi)水壓力下鋼管結(jié)構(gòu)分析復(fù)核計(jì)算。

3)工況三(短暫工況)。壓力管道放空檢修時(shí)，最大外水壓力下鋼管及加勁環(huán)抗外壓分析復(fù)核計(jì)算。

進(jìn)行鋼管承受內(nèi)壓結(jié)構(gòu)分析時(shí)，按沿程管段壁厚及內(nèi)壓分布情況選擇4個(gè)典型斷面進(jìn)行計(jì)算，其中Ⅰ號(hào)壓力管道自樁號(hào)引0+024.800 m至引0+083.330 m段及廠房上游側(cè)管段可視為鋼襯鋼筋混凝土管段，且假定鋼管單獨(dú)承受內(nèi)壓，采用相關(guān)公式進(jìn)行取值計(jì)算；引0+083.330 m下游管段按地下埋管相關(guān)公式進(jìn)行取值計(jì)算。

內(nèi)水壓力設(shè)計(jì)值采用①號(hào)廠房引水系統(tǒng)及機(jī)組過(guò)渡過(guò)程計(jì)算中相應(yīng)工況內(nèi)水壓力控制值。各工況沿程內(nèi)水壓力分布情況見(jiàn)表1及圖2～圖3，計(jì)算斷面管道參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 工況一管道內(nèi)水壓力沿程分布圖

圖3 工況二管道內(nèi)水壓力沿程分布圖

表2 承受內(nèi)壓計(jì)算壓力管道典型斷面參數(shù)表

進(jìn)行抗外壓分析時(shí)，首先對(duì)沿引水道布置的水位監(jiān)測(cè)孔統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行定性分性，根據(jù)分析結(jié)果確定典型斷面。

通過(guò)對(duì)各測(cè)孔地下水位過(guò)程線分析，鋼管周?chē)鷧^(qū)域地下水穩(wěn)定，規(guī)律性較強(qiáng)，基本表現(xiàn)為夏秋季水位較冬春季水位高的特點(diǎn)，與鋼管內(nèi)水壓力變化不相關(guān)?？紤]地形地貌及管線布置情況，經(jīng)對(duì)比分析，最終選擇下平段中部引3點(diǎn)作為復(fù)核代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)，取多年平均水頭值經(jīng)折減后的壓力值作為代表徑向均布外壓標(biāo)準(zhǔn)值，取引3點(diǎn)附近的引0+190.000 m斷面作為計(jì)算斷面。另外，引水道前端外包混凝土管段及廠房上游墻內(nèi)鋼管段尚需進(jìn)行抗外壓復(fù)核，本次選取引0+036.628 m及引0+241.073 m兩個(gè)斷面，將前者視為鋼襯鋼筋混凝土管，后者視為光面地下埋管進(jìn)行計(jì)算，以策安全。

計(jì)算時(shí)地下埋管(斷面B)在工況三(放空工況)承擔(dān)外水壓力根據(jù)引3點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并考慮折減系數(shù)確定，氣壓差按0.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計(jì)；斷面A及斷面C放空時(shí)按管壁(加勁環(huán))承擔(dān)1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓計(jì)。

壓力管道沿程地下水位觀測(cè)孔見(jiàn)圖4；

圖4 壓力管道沿程地下水位觀測(cè)孔布置圖

引2、3、6、7點(diǎn)測(cè)孔水位過(guò)程線(2015年)見(jiàn)圖5；

圖5 引2、3、6、7——2015年水位過(guò)程線圖

地下水位統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表3；

表3 地下水位特征值統(tǒng)計(jì)表 m

抗外壓斷面計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表4；

表4 抗外壓計(jì)算壓力管道典型斷面參數(shù)表

Ⅰ號(hào)壓力管道強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算各典型斷面見(jiàn)圖6。

圖6 引水道典型斷面布置圖

1.3.3 計(jì)算內(nèi)容及復(fù)核結(jié)論

本次復(fù)核共分鋼襯鋼筋混凝土管段承受內(nèi)水壓力應(yīng)力分析，地下埋管段承受內(nèi)水壓力應(yīng)力分析，設(shè)有加勁環(huán)地下埋管段抗外壓復(fù)核，光面管地下埋管段抗外壓復(fù)核，鋼襯鋼筋混凝土段抗外壓復(fù)核幾個(gè)部分，均按《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T35056-2015)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=295 N/mm2，標(biāo)準(zhǔn)值fsk=330 N/mm2，鋼管結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.0，外包混凝土段及地下埋管段結(jié)構(gòu)系數(shù)γd分別取1.5和1.25，加勁環(huán)應(yīng)力校核時(shí)γd取1.6，持久設(shè)計(jì)狀況(工況一)系數(shù)ψ=1.0，偶然設(shè)計(jì)狀況(工況二)系數(shù)ψ=0.8，短暫設(shè)計(jì)狀況(工況三)系數(shù)ψ=0.9。

鋼襯鋼筋混凝土段假定鋼管承擔(dān)全部?jī)?nèi)壓，采用鍋爐公式計(jì)算并進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。地下埋管復(fù)核過(guò)程中，鋼管與混凝土襯砌、混凝土襯砌與圍巖之間存在的縫隙值δ2按照《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35056-2015)中的式(B.1.1-1)計(jì)算，鋼管冷縮縫隙結(jié)合水文資料進(jìn)行取值計(jì)算，通過(guò)對(duì)電站水溫情況進(jìn)行分析比較，并從安全角度出發(fā)，令鋼管起始溫度與最低溫度之差為20℃，則最高溫度運(yùn)行情況初始溫度與最高溫度之差則取為-(33.8-1.6-20)=-12.2℃。初始縫隙值取0.2 mm，埋管段典型斷面縫隙值及最高水溫情況下鋼管冷縮縫隙值計(jì)算結(jié)果如下：δs2=-0.61 mm，δ2=1.35 mm。

地下埋管段縫隙判別條件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 地下埋管段縫隙判別條件計(jì)算表

各管段典型斷面強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

通過(guò)本次①號(hào)壓力管道強(qiáng)度安全復(fù)核可知，黃龍灘水電站1號(hào)廠房引水道壓力管道承擔(dān)內(nèi)水壓力全部滿足要求?？雇鈮悍矫?，地下埋管加勁環(huán)可滿足要求，環(huán)間管壁在只考慮加勁環(huán)的情況下稍有欠缺(Kc=1.77)，同時(shí)考慮了錨筋作用后滿足要求(Kc=3.52)；地下埋管光面管段及鋼襯鋼筋混凝土管段抗外壓計(jì)算亦滿足要求。

表6 壓力管道計(jì)算成果表

2 結(jié) 語(yǔ)

水電站在經(jīng)過(guò)40年的運(yùn)行后，管道金屬材料難免有不同程度的銹蝕及疲勞運(yùn)行情況，復(fù)核時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘掌握情況，暫未考慮管壁厚度折減，運(yùn)行單位在進(jìn)行引水發(fā)電系統(tǒng)安全復(fù)核時(shí)，應(yīng)把壓力管道強(qiáng)度復(fù)核作為工作重點(diǎn)，結(jié)合日常運(yùn)行中收集的觀(監(jiān))測(cè)成果，全面系統(tǒng)地進(jìn)行分析復(fù)核，同時(shí)應(yīng)根據(jù)DL/T709-1999《壓力鋼管安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，壓力鋼管運(yùn)行滿40年，必須進(jìn)行折舊期滿安全檢測(cè)，以確定鋼管是否可以繼續(xù)服役及必須采取的加固措施。