潘家口水電廠1號(hào)機(jī)組伸縮節(jié)改造方案及效果

李建民，李正才

（水利部海委引灤工程管理局，河北 唐山 064309）

1 概述

潘家口水電廠1號(hào)機(jī)組于1981年投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)水頭63.5 m，最大運(yùn)行水頭85 m。自機(jī)組投入運(yùn)行以來(lái)，一直存在著壓力鋼管伸縮節(jié)嚴(yán)重漏水的缺陷，曾先后4次對(duì)漏水進(jìn)行處理，但由于伸縮節(jié)施工時(shí)法蘭焊接難以控制原因，伸縮節(jié)盤根槽寬度極不均勻，經(jīng)過(guò)短時(shí)間運(yùn)行后，漏水仍恢復(fù)到原來(lái)的嚴(yán)重程度，造成了許多不良后果，如鋼管外部嚴(yán)重腐蝕；、加重了廠內(nèi)滲漏集水井排水泵負(fù)擔(dān)；必須定期維護(hù)檢修即更換密封盤根等問(wèn)題[1]。

2 伸縮節(jié)漏水原因分析

2.1 伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)

潘家口水電廠1號(hào)機(jī)組壓力鋼管直徑7.5 m，伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)為套管式，沿水流方向分別為上游側(cè)鋼管及焊接其上的法蘭、下游側(cè)鋼管及下游側(cè)活動(dòng)法蘭、密封盤根和盤根壓板。上、下游法蘭各分4瓣，螺栓緊固連接。伸縮節(jié)設(shè)計(jì)軸向最大伸縮量為10 mm。伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 1號(hào)機(jī)組伸縮節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 漏水原因

由于分瓣法蘭變形量太大，鋼管中水由各瓣連接面處、下游側(cè)盤根向外漏水，在1992年處理漏水時(shí)已將分瓣面焊死，但不能從根本上解決問(wèn)題，焊接后從分瓣螺栓孔向外漏水，這是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理造成的。另外，下游側(cè)填裝盤根的環(huán)縫間隙即盤根槽寬度（圖1中δ）不均勻，而且相差太大（見(jiàn)圖2），給盤根密封的安裝造成了極大的困難。這是安裝不當(dāng)造成的。

圖2 盤根槽寬度δ

3 調(diào)研情況

為保證壓力鋼管伸縮節(jié)改造效果，組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)研和實(shí)地考察。

東江水電廠，壓力鋼管直徑5.2 m，最高水頭139 m，典型套管式伸縮節(jié)，1995年開(kāi)始將4臺(tái)機(jī)組伸縮節(jié)先后安裝波紋管，漏水問(wèn)題得到根本解決，免維護(hù)。

柘溪水電廠，壓力鋼管直徑5.5 m，設(shè)計(jì)水頭73 m，套管式伸縮節(jié)，1996年采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)技術(shù)對(duì)4號(hào)機(jī)組進(jìn)行改造，改造后不再漏水，且免維護(hù)。其他機(jī)組的伸縮節(jié)改用其他技術(shù)進(jìn)行改造，改造后不漏水，但需要維護(hù)，后期將其他機(jī)組伸縮節(jié)采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)技術(shù)進(jìn)行改造，不漏免維護(hù)。

潘家口蓄能電廠采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)技術(shù)對(duì)3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行改造，效果理想。

最終確定采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)技術(shù)對(duì)1號(hào)機(jī)組壓力伸縮節(jié)進(jìn)行改造。

4 設(shè)計(jì)選型

4.1 原理

全密封的薄壁雙層不銹鋼波紋，依其不銹鋼良好的柔性和波紋彈性變形，實(shí)現(xiàn)波紋管的伸縮以適應(yīng)原伸縮節(jié)的伸縮量：當(dāng)受到失穩(wěn)的外力作用時(shí)，即當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷鋼管內(nèi)產(chǎn)生水錘壓力作用以及波紋受力過(guò)大時(shí)，波紋管受力產(chǎn)生彈性變形壓在波芯體上，整圈的波芯體頂靠在法蘭內(nèi)壁上（見(jiàn)圖3），從而使波紋管不發(fā)生塑性變形保持基本波型，失穩(wěn)外力消失后波形恢復(fù)，保證結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期運(yùn)行。同時(shí)，將波紋兩端焊接在鋼管上，鋼管內(nèi)水不會(huì)再滲漏至盤根密封處，也就不再漏水。

圖3 SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)設(shè)計(jì)造型

4.2 Ф7 500亞鋼體伸縮節(jié)改型計(jì)算與分析

（1）波紋管（薄壁波殼體）采用奧氏體不銹鋼，即0Cr18Ni9Ti，其許用應(yīng)力[σ]=1 290 kg/cm2，彈性模量Eb=201×104kg/cm2，屈服強(qiáng)度σ=2 050 kg/cm2，抗拉強(qiáng)度σb=4 400 kg/cm2，芯體裝置（波芯體）采用紫銅[2]。

（2）內(nèi)壓引起的波紋管環(huán)向薄膜應(yīng)力σ1

σ1是保證任何壓力容器安全使用的先決條件和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，當(dāng)獨(dú)立（或局部加強(qiáng)）的波紋管兩端焊接在鋼管上時(shí)即形成壓力容器。它的良好柔性滿足了壓力鋼管伸縮節(jié)變形需要，這種優(yōu)勢(shì)卻恰恰劣化了它的承受內(nèi)力的強(qiáng)度。準(zhǔn)確的說(shuō)，上述波紋管承受PD值（水壓×管徑）的能力受到極大限制，對(duì)于Ф7 500管徑16 kg/cm2水壓的工況下，

這個(gè)數(shù)值大大超過(guò)了其材質(zhì)的破斷應(yīng)力，即使選用雙層波紋管，應(yīng)力雖然降低了一些，但仍超過(guò)σb，而當(dāng)波紋管受力過(guò)大時(shí)，則被彈變壓靠在波芯體上，波芯體則整圈的頂靠在鋼管上，形成聯(lián)合受力狀態(tài)，從而使波紋管的σ1等同鋼管的σ1值。

亞鋼體結(jié)構(gòu)波紋管σ1計(jì)算公式如下：

式中：P—內(nèi)水壓力，為16 kg/cm2；

Dm—波紋管中徑，近似為7 500 mm；

A1—亞鋼體結(jié)構(gòu)第一系數(shù)取0.8~0.9，此處取0.8；

m—波紋管層數(shù)；

SP—波紋管厚度，為4 mm；

h、W—波紋管幾何參數(shù)；

SS—原裝法蘭鋼管壁厚；

σsδ—鋼管材質(zhì)屈服極限；

σsb—波紋管材質(zhì)屈服極限。

從上式可以看出，亞鋼體結(jié)構(gòu)波紋管的σ1在數(shù)值上基本等同鋼管的σ1值，完全滿足環(huán)向結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（3）內(nèi)壓產(chǎn)生的波紋管殼體徑向薄膜應(yīng)力σ2

式中A2為亞鋼體結(jié)構(gòu)第二系數(shù)，一般取0.2~0.3，此處取0.3。

（4）內(nèi)壓產(chǎn)生的波紋管殼體徑向彎曲應(yīng)力σ3

式中CP是一個(gè)特定系數(shù)，由波紋管幾何尺寸確定，A3是亞鋼體結(jié)構(gòu)第三系數(shù)，為0.3。

（5）伸縮變位引起的波紋管殼的徑向薄膜應(yīng)力σ4和徑向彎曲應(yīng)力σ5

按照1998年版《SJTB型壓力鋼管、蝸殼帶波紋管的套管伸縮節(jié)裝置設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，選用壁厚4 mm波高30 mm波紋管，單波位移±4.44 mm，波紋設(shè)計(jì)寬為90 mm，最大彈性變量允許±11.32 mm，完全滿足伸縮變位要求。

4.3 選型

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節(jié)技術(shù)，設(shè)置了3個(gè)半型波的薄壁雙波紋密封，材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，波紋管厚為4 mm，波高30 mm，波紋密封的外波中裝有環(huán)型波芯體，材質(zhì)為紫銅，見(jiàn)圖3。

5 改造施工方案

5.1 原伸縮節(jié)修型

為了保證原伸縮節(jié)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不變，修型時(shí)應(yīng)注意：①盡量不修割上游側(cè)鋼管端面根部焊縫，必須修割時(shí)需重新焊接并保證焊縫的完整性并探傷；②要保證下游側(cè)鋼管端面與盤根槽邊緣有5 mm以上距離，防止盤根露出，失去止水效果。依據(jù)圖4施工：先割下游側(cè)端面，上游側(cè)不動(dòng)，保證85 mm這一尺寸，之后斜割上、下游側(cè)鋼管端面，內(nèi)側(cè)保證120 mm尺寸，根部不動(dòng)，割口要磨平。

圖4 修型后伸縮節(jié)示意圖

5.2 波紋密封安裝

（1）拼接波紋管，注意焊接工藝。

（2）安裝波紋管。先安裝外層波紋管，從鋼管頂部開(kāi)始安裝，用楔鐵式圧馬分段將波紋管與法蘭內(nèi)側(cè)圧實(shí)后，與上下游鋼管點(diǎn)焊；之后從頂部預(yù)留口處串入紫銅波芯體；將波紋管焊接在上下游鋼管上；打磨、檢查、100%探傷，應(yīng)合格。再焊內(nèi)層波紋管，內(nèi)層焊接、檢查、探傷合格后做耐壓試驗(yàn)。

5.3 耐壓試驗(yàn)

在鋼管內(nèi)側(cè)安裝45副弧長(zhǎng)500 mm壓馬將波紋管壓實(shí)，防止變形；在伸縮節(jié)靠近底部位置向內(nèi)、外層波紋管間注水，在頂端預(yù)留口安裝管及閥門，排氣；依次打壓至0.2 MPa初步檢查、1.60 MPa耐壓試驗(yàn)，耐壓30 min不滲漏為合格。

6 改造后效果

潘家口水電廠1號(hào)機(jī)組壓力鋼管伸縮節(jié)是2000年改造的，改造后23年來(lái)，水頭最高時(shí)達(dá)到82 m，經(jīng)歷了2008年、2018年兩次甩負(fù)荷考驗(yàn)，目前，仍保持著滴水不漏的效果，真正實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)。改造是成功的。