冷凍暫堵帶壓換閥技術(shù)在橡膠壩中的應用

劉 虎，陳吉亮，賈成杰

（山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂276000）

小埠東橡膠壩樞紐工程位于臨沂市區(qū)沂河干流上，工程規(guī)模為大（2）型，工程等別為Ⅱ等，工程總長1 247.4 m。其中橡膠壩共16 節(jié)，每節(jié)壩袋凈長70 m，充水后壩高3.5 m，橡膠壩段長1 135 m。工程于1997 年建成蓄水，充壩后最大蓄水量為2 830 萬m3。工程建成23 年來，先后對消能、海漫進行多次加固，并于2011 年進行壩袋更換。隨著工程運行，泵室充排水設備老化嚴重，原左右岸泵室各設4 根排水主管，每根排水管控制2 節(jié)壩袋排水，4 根主管道連接母管和排水泵，每根主管前端設一個閘閥控制壩袋排水。受當時條件限制，未設檢修閥。本次加固設計需更換8 組閘閥，由于閘閥與壩袋排水管道貫通連接，如放水作業(yè)將造成大量水量損失因此在蓄水情況下作業(yè)成為本次加固方案首選。

1 方案選擇

1.1 塌壩放水方案

本次加固最初的設想是放掉壩前蓄水，橡膠壩設計蓄水位65.5 m，汛后實測壩前水位是65.3 m，上游一次蓄水量為2 506 萬m3。實施費用約2 004.8 萬元，工期40 d。由于加固施工要求在汛后枯水期實施，因此一旦放水施工，造成巨大經(jīng)濟損失，河道干枯，嚴重影響城區(qū)地下水補給和生態(tài)景觀要求。

1.2 壩前填筑圍堰方案

初步設計考慮在橡膠壩底板前20 m 外填筑擋水圍堰，壩前河底高程約62.0 m，現(xiàn)狀水位為65.3 m，水深3.3 m，按堰頂超高0.5 m，堰頂寬度3.0 m，坡比1∶2.5 計算，圍堰填筑量為5.92 萬m3，填筑料在河道上游用抽砂船施工，圍堰上游側(cè)鋪設土工膜防滲，坡面編織袋裝土護砌。施工費用總計492.5 萬元，施工期60 d，完工后還要拆除圍堰。

1.3 冷凍暫堵帶壓換閥方案

經(jīng)考察論證，借鑒輸油、供熱管道施工應用的冷凍暫堵帶壓開口技術(shù)，分析工程現(xiàn)狀情況，在水位差4.5 m 情況下，靜水壓力為0.045 MPa，考慮水位變化滲水壓力等情況，按照0.1 MPa 計算封堵水壓。該法施工費用24.8 萬元，工期22 d，最后確定采用冷凍暫堵帶壓換閥方案。

2 帶壓換閥工藝

2.1 施工工藝流程

施工準備→冷媒裝置加工→冷媒機安裝→檢修閥法蘭焊接→加注冷媒作業(yè)→溫度控制及壓力試驗→切割外部管道→安裝檢修閥→拆除管路封堵管口→現(xiàn)場清理。

2.2 施工位置選取及管道參數(shù)選擇

1）施工位置選取。選取泵房邊墻與閘閥間的管道為作業(yè)區(qū)，取0.8 m 段加工儲存冷媒裝置，設置冷凍進氣閥和排氣閥以及冷媒加料管，作業(yè)區(qū)外開口位置預先焊接檢修蝶閥法蘭片。

2）管道裝置參數(shù)選擇。原排水管道自橡膠壩底板排水口經(jīng)兩次彎管通過泵房底板進入泵室，向上彎曲后與閘閥連接。管道水平中心高程61.0 m，因排水管兼做供水管使用，由于供排水管線長度不同，左右岸泵室4 條排水主管分別用A、B、C、D 區(qū) 分，管 徑 分 別 為Dg370、Dg350、Dg320、Dg280，4 條主管與母管連接，排水泵設在母管上。因主管材質(zhì)為碳素鋼無縫鋼管，因此冷凍裝置的外包管亦選取碳素鋼無縫鋼管，按照大二級型號選取外套管，因此冷凍裝置管徑分別為：Dg450、Dg420、Dg400、Dg350。主管道鋼管壁厚8 mm，外包封管壁厚采用8 mm；經(jīng)考察冷媒性能指標，選取冷媒溫度為-50°～-60°。為保證作業(yè)安全，冷凍后監(jiān)測壓力值取0.3 MPa 以上。

2.3 帶壓冷凍操作施工

1）冷凍裝置及設備。結(jié)合泵室結(jié)構(gòu)情況，冷凍主管道起點位置從泵室底板混凝土面向下鑿除10cm，用砂漿找平后焊接下封堵盤，將無縫鋼管包焊在主管道外，上下與封堵盤焊接成為儲存裝置，儲存裝置上事先焊接好冷媒輸入口、輸出口，外接法蘭與冷凍機連接。在冷媒輸出口處預留冷媒注入口，當冷媒數(shù)量不足時及時加注。

冷媒裝置外接冷凍機，選用SKRQ 系列超低溫載冷劑制冷機組，設備冷卻溫度范圍為-40°～-86°可調(diào)，施工時制冷溫度控制在-50°～-60°范圍。受泵室密閉環(huán)境限制，需充分考慮安全、防火防毒要求，同時滿足制冷效果，選用TOSP-8 系列R32 型冷媒做載冷劑，該型號產(chǎn)品為雙向?qū)挏赜蚋咝лd冷劑，無毒、不燃，可控溫度為-60°～100°。

2）冷凍工藝過程。人員設備就緒后進行單管冷凍作業(yè)，按工藝流程加注冷媒開啟制冷機，每2 h 監(jiān)測一次冷凍溫度，從常溫逐步降低到-50°以下控制制冷量，溫度保持2 h 后進行壓力監(jiān)測，冷媒機壓力值控制高壓側(cè)讀數(shù)為0.75 MPa，低壓側(cè)讀數(shù)為0.30 MPa。這樣管道表面冷凍傳導至管道內(nèi)水上，逐步降低溫度使管道內(nèi)水凝結(jié)成冰，完成一根主管道冷凍。

3）試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)。施工過程中進行各項數(shù)據(jù)監(jiān)測，保障各工序作業(yè)在安全條件下進行。觀測管道壓力、導溫液溫度、管道溫度，每2 h 進行一次記錄，分析數(shù)據(jù)變化情況，隨時調(diào)整作業(yè)時間，經(jīng)預埋壓力表實測，冷凍后管道反向壓力值均大于0.30 MPa，超過水位壓力。

4）管內(nèi)壓力測試。冷凍過程中按時觀測壓力、溫度及儀表的讀數(shù)。使溫度、壓力值均衡變化。緩慢降低管道的溫度，當管道的溫度穩(wěn)定在-53°左右時，將預先在管道上焊接的壓力表三通管套絲鉆孔，封堵外口2 h 后實測冷凍管內(nèi)部壓力，參照給水管道水壓試驗規(guī)范，當試驗壓力滿足設計壓力1.5 倍，即壓力表讀數(shù)滿足0.15 MPa時即為冷凍效果滿足要求，本次施工8 根主管道冷凍后閘閥端實測壓力值均大于0.30 MPa。在此安全條件下切割主管道，安裝新檢修閥門，完成帶壓換閥施工。

5）檢修閥安裝。各項參數(shù)指標達到技術(shù)要求后，快速切割管口更換蝶閥。用切割機切割主管道，打磨預先焊好的法蘭片，檢查焊口質(zhì)量情況，符合要求時安裝檢修蝶閥，檢查檢修閥的開關(guān)性能，滿足要求后關(guān)停冷凍機，冷凍管在自然條件下解凍。最后收回導溫液，拆除制冷機，用微膨脹混凝土填充冷媒儲存裝置，起到保護冷凍管后期運行安全的作用，按同樣工藝方法完成左右岸8根排水管換閥維修作業(yè)。

3 風險控制

一是由于泵室內(nèi)空間狹窄，首先加強泵室內(nèi)通風排氣，預防施工人員中毒；其次要防止冷媒管道及儲存裝置泄漏，做好應急預防措施；選取無毒、不然、不易揮發(fā)的冷媒材料，嚴禁施工現(xiàn)場出現(xiàn)明火，防止灼傷凍傷危害。二是為預防意外發(fā)生，前期檢查管道內(nèi)壁腐蝕情況，用測厚儀測量原鋼管壁厚，確認原管道無明顯銹蝕；先開機試運行，檢查管路及冷卻溫度參數(shù)變化；因維修閥門所在的位置在管道的彎曲部位，冷凍過程中隨時觀察管道冷縮變化，嚴格控制溫度下限值，防止管道內(nèi)部結(jié)冰膨脹將管道凍爆。