安徽績溪抽水蓄能電站球閥變位分析思考

趙瑞存，周淼汛，邱紹平

（1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 311122）

1 工程概況

安徽績溪抽水蓄能電站位于安徽省績溪縣，靠近皖江城市帶，鄰近江蘇省。樞紐建筑物由上下水庫大壩、下水庫泄洪建筑物及輸水發(fā)電建筑物組成。輸水系統(tǒng)采用3 洞6 機的布置形式，分3 個水力單元。上、下庫進水口、出水口均采用側(cè)向閘門豎井式。壓力管道采用上、下2 級斜井布置方案，從上斜井上彎段至高壓支管均采用鋼板襯砌，在距離主廠房上游邊墻約66.00 m 處設(shè)3 個對稱鋼岔管。岔管后為高壓支管，6 條高壓支管平行布置，平面上走向為N55°W，垂直進入廠房，洞軸線間距為22.50 m。1#、3#、5#支管長度均為72.08 m，2#、4#、6#支管長度均為65.90 m。高壓支管管徑為2.80 m，在廠房前漸縮為2.00 m，漸縮段長度為9.00 m，鋼襯外圍回填混凝土厚度0.70 m。廠房內(nèi)至球閥段為廠內(nèi)明管，管徑為2 000 mm ，長7 665 mm。

在廠房邊墻（開挖邊界）上游6 000 mm 位置設(shè)置J14 管節(jié)，管節(jié)長3 000 mm，管節(jié)上設(shè)置3 道止推環(huán)，環(huán)高25 cm，間距75 cm，環(huán)厚36 mm，采用Q345 R 鋼板。止推環(huán)與管壁之間采用角焊縫連接，焊縫高度15 mm。

2 止推環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本工程上水庫正常蓄水位961.00 m，機組安裝高程233.00 m，球閥擋水時靜水頭為728.00 m。根據(jù)機組甩負荷水力過渡過程計算成果，球閥處最大動水頭為1 000.00 m。止推環(huán)焊縫設(shè)計時，按1 000.00 m 水頭作用在關(guān)閉狀態(tài)的球閥上進行計算。

計算公式：

在每個止推環(huán)兩側(cè)均設(shè)置1 道角焊縫，每個止推環(huán)對應(yīng)2 道角焊縫，計算得出在1 000.00 m 水頭作用下，1 個止推環(huán)的2 道角焊縫應(yīng)力為224.7 MPa，而角焊縫強度設(shè)計值為244.0 MPa。即假定在最大動水水頭時，球閥關(guān)閉，1 000.00 m 水頭全部作用在球閥上，則1 個止推環(huán)即可滿足抗推要求。考慮一定安全裕度，實際設(shè)置3 個止推環(huán)，共6 道角焊縫。

鋼板與混凝土具有相近的溫度線膨脹系數(shù)，鋼板的溫度線膨脹系數(shù)為1.2×10-5℃，混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為1.0×10-5～1.5×10-5℃，這種特性使得鋼管外壁回填混凝土與鋼管同步變形協(xié)調(diào)。位于混凝土內(nèi)的止推環(huán)，嵌固在混凝土內(nèi)，能起到相應(yīng)的止推作用。

3 明管段伸縮變形分析

廠房內(nèi)明管段長7 665 mm，內(nèi)徑2 000 mm，鋼管壁厚50 mm，采用800.0 MPa 級鋼材，彈性模量為206 000.0 MPa。假定球閥全關(guān)時，1 000 m 水頭作用在球閥上，此軸向壓力由50 mm 厚鋼管承擔，則鋼管管壁所受的軸向應(yīng)力為95.7 MPa，管壁環(huán)向應(yīng)力為196.2 MPa，應(yīng)變?yōu)?.000 178 87，明鋼管段將產(chǎn)生1.371 mm 的伸長變形。

針對此段明鋼管，進行擋水水頭敏感性分析，不同擋水水頭情況下，伸長量值見表1，擋水水頭與伸長量關(guān)系見圖1。

表1 球閥擋水水頭與明管段伸長量相關(guān)關(guān)系表

圖1 球閥擋水水頭與明管段伸長量相關(guān)關(guān)系圖

從表1 及圖1 可知，球閥擋水水頭與明管段伸長量成正比關(guān)系，隨著擋水水頭增加，明管段伸長量隨之增加。

4 溫度變形分析

根據(jù)NB/T 35056—2015《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》，溫度變化導致的鋼管最大行程（伸縮）值計算式為：

Δl= ΔTαsL0s

式中：Δl為行程（伸縮）量（mm）；ΔT為鋼管溫差（℃）；αs為鋼材線膨脹系數(shù)，1.2×10-5℃；L0s為明管段長度（mm）。對溫度進行敏感性分析，結(jié)果見表2 及圖2。

圖2 溫度變化與明管段行程量相關(guān)關(guān)系圖

表2 溫度影響明管段伸縮量表

從表2 及圖2 可知，溫度與明管段行程也有明顯的正比關(guān)系，隨著溫度升高，鋼管伸長，溫差達到30 ℃時，鋼管伸長量為2.759 mm。同理，溫度降低，鋼管收縮。

5 球閥實測變位情況分析

5.1 球閥實測變位情況

（1）每個球閥布置2 個基座位移傳感器，分別位于球閥上下游側(cè)，相對布置，上游側(cè)為1 號，下游側(cè)為2 號，探頭距離感應(yīng)面約5.0 mm。該傳感器為渦流式傳感器，2 線制，模擬量輸出，測量范圍2.0～10.0 mm，采用24VDC 供電，輸出4～20 mA電流。傳感器讀數(shù)只能在監(jiān)控中顯示，機組投產(chǎn)前，在監(jiān)控中對球閥基座位移數(shù)值進行一次標定，即當球閥全開時將上、下游基座位移都標定為0，由于2 個基座位移傳感器對稱布置，故標定后，監(jiān)控中顯示的2 個基座位移量互為相反數(shù)（即一正一負）。監(jiān)控顯示，1#機、2#機從數(shù)值標定之后，球閥2 個基座位移傳感器測值曲線基本上通過0 線對稱，所以可以判斷傳感器無故障。

（2）實測數(shù)據(jù)顯示，從2019 年12 月設(shè)置基準0 點開始觀測，至3 月初，測值顯示1#球閥向上游變位1.5 mm，3 月開始1#球閥慢慢向下游變位，到6 月變位3.1 mm（相對于基準0 點下游1.6 mm）， 2#球閥存在同樣的趨勢。這個趨勢恰好與溫度變化趨勢成正相關(guān)。2020 年9 月中旬達到峰值，球閥向下游變位約3.5 mm，此后1#球閥慢慢開始向上游變位，至12 月底基本恢復(fù)到基準0 點位置（見圖3）。

圖3 球閥實測變位過程線（向上游變位為負值）圖

（3）球閥在開停機過程中存在上下游震蕩，1#球閥在開停機過程中震蕩幅度為40 道（0.4 mm），2#球閥開停機震蕩幅度也為40 道（0.4 mm）。說明當機組經(jīng)過停機→發(fā)電→停機、停機→抽水→停機過程時，球閥由擋水狀態(tài)→非擋水狀態(tài)→擋水狀態(tài)循環(huán)往復(fù)，位移同步循環(huán)往復(fù)。

5.2 球閥變位分析

（1）根據(jù)球閥擋水狀態(tài)壓力鋼管明管段伸縮分析，由于球閥擋水時受到向下游的水推力作用，導致球閥向下游變位。機組正常開機后，球閥處于過流狀態(tài)，向下游的水推力消失，故球閥產(chǎn)生向上游變位。而變位幅度則受水推力大小、鋼管剛度、球閥剛度等影響，變位規(guī)律與實測情況相符。

（2）根據(jù)溫度變形分析，在水溫緩慢上升的過程中，溫差會導致鋼管伸縮變位，同步影響與之相連的球閥發(fā)生變位。2020 年1—3 月氣溫降低，3—9 月氣溫升高，9—12 月氣溫降低，剛好與球閥實測變位規(guī)律相符。

6 結(jié) 語

（1）壓力鋼管止推環(huán)設(shè)計強度滿足球閥擋水時最大水頭的要求。

（2）鋼板與混凝土的線膨脹系數(shù)相當，兩者變形協(xié)調(diào)統(tǒng)一。在溫度變化時，混凝土與鋼板同步變形協(xié)調(diào)，不會出現(xiàn)脫開現(xiàn)象，止推環(huán)起到了很好的止推作用。且位于洞內(nèi)的混凝土與鋼板受熱膨脹主要是軸向變形，順水流向受到混凝土與圍巖間粘聚力作用，處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。

（3）廠房內(nèi)明鋼管會隨著承受水頭不同、球閥工作狀態(tài)變化、溫度變化等，呈現(xiàn)伸縮現(xiàn)象，且與水頭及溫度成正相關(guān)關(guān)系。

（4）目前實測數(shù)據(jù)顯示，自2020 年9 月中旬開始，球閥在逐步向上游回彈變位，于2020 年12月底恢復(fù)到標定的基準0 值位置。