壓力鋼管伸縮節(jié)導(dǎo)流板改進(jìn)方式及破壞機(jī)理研究

鄧 倫，李亞軍，王晨杰

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某電廠機(jī)組引水壓力鋼管設(shè)置的伸縮節(jié)，主要為了適應(yīng)和解決工程蓄水之后和運(yùn)行時(shí)帶來的水頭壓力變化和四季水流溫差產(chǎn)生的引水壓力鋼管軸向變位循環(huán)位移補(bǔ)償問題，以及壩體在分縫處的地質(zhì)變位不均勻沉降引起的徑向變位[1]。伸縮節(jié)內(nèi)導(dǎo)流筒的安裝則可以減少伸縮節(jié)段的水頭損失，并保護(hù)波紋管等水封設(shè)施。某電廠自伸縮節(jié)投運(yùn)后，部分機(jī)組伸縮節(jié)內(nèi)出現(xiàn)導(dǎo)流板撕裂等現(xiàn)象，通過對(duì)現(xiàn)場情況的勘察和定性分析，對(duì)伸縮節(jié)導(dǎo)流板進(jìn)行改造，并對(duì)改造后的伸縮節(jié)導(dǎo)流板進(jìn)行原型觀察，以了解伸縮節(jié)導(dǎo)流板破壞機(jī)理，通過長期檢查結(jié)果驗(yàn)證改造后的實(shí)際效果，為后期伸縮節(jié)導(dǎo)流板的維護(hù)改造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，確保伸縮節(jié)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 伸縮節(jié)導(dǎo)流板介紹

某電站設(shè)置的伸縮節(jié)，結(jié)構(gòu)上主要由上下游內(nèi)套筒、上下游波紋管、上下游水封裝置及導(dǎo)流筒組成[2]，具體如圖1 所示。為便于伸縮節(jié)波紋管檢修，其導(dǎo)流筒采用了可拆式結(jié)構(gòu)。左岸電站部分機(jī)組伸縮節(jié)導(dǎo)流筒長1.32 m，直徑Φ12.4 m，板厚8 mm，固定螺栓在水流方向的間距約為840 mm，環(huán)向間距約為433 mm。整個(gè)導(dǎo)流筒由6 塊導(dǎo)流板組成（導(dǎo)流板尺寸：8 mm×6 496 mm×1 320 mm，材料：304不銹鋼），用180 個(gè)M16×50 螺栓固定在外套管上；6 塊導(dǎo)流板之間又由30 個(gè)螺栓將其聯(lián)接為一個(gè)圓筒；平均每塊導(dǎo)流板上沿周邊有40 個(gè)固定和聯(lián)接螺栓。左岸連接螺栓為M16 8.8 級(jí)碳鋼螺栓。每塊導(dǎo)流板上還開有28 個(gè)Φ120 mm 的平壓孔，用于平衡導(dǎo)流板內(nèi)側(cè)和外側(cè)的壓力變化。右岸電站部分機(jī)組設(shè)置了伸縮節(jié)，與左岸相比，右岸伸縮節(jié)導(dǎo)流板上游側(cè)平壓孔全部封堵，下游側(cè)平壓孔采用孔板與盲板間隔封堵，聯(lián)接螺栓直徑增大，右岸采用的是M18 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼螺栓。

圖1 伸縮節(jié)局部構(gòu)造

某電站左岸機(jī)組伸縮節(jié)投運(yùn)以來，曾出現(xiàn)伸縮節(jié)導(dǎo)流板聯(lián)接螺栓斷裂現(xiàn)象，更換聯(lián)接螺栓后，運(yùn)行后又發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流板裂紋，隨后對(duì)部分機(jī)組腰線以下平壓孔進(jìn)行了間隔封堵，運(yùn)行后檢查，腰線以下導(dǎo)流板未發(fā)現(xiàn)裂紋，腰線以上未封堵平壓孔部位局部發(fā)現(xiàn)裂紋，后對(duì)腰線以上平壓孔也進(jìn)行了間隔封堵。某右岸電站機(jī)組伸縮節(jié)總結(jié)左岸伸縮節(jié)處理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)上游側(cè)平壓孔進(jìn)行了封堵，下游側(cè)平壓孔采用孔板與盲板間隔封堵，但運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)部分聯(lián)接螺栓斷裂，其中22F 伸縮節(jié)導(dǎo)流板出現(xiàn)了脫落現(xiàn)象。

2 導(dǎo)流板改進(jìn)措施

根據(jù)導(dǎo)流板損壞的現(xiàn)象分析，導(dǎo)流板開裂的主要原因是交變應(yīng)力作用下的疲勞破壞，導(dǎo)流板出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象常發(fā)生于導(dǎo)流板最薄弱處即導(dǎo)流板固定螺栓處，為防止導(dǎo)流板撕裂，對(duì)導(dǎo)流板進(jìn)行加固改造。

2.1 第1 種導(dǎo)流板改造方式

為防止導(dǎo)流板撕裂現(xiàn)象，導(dǎo)流板改造方式1 主要是在不改變導(dǎo)流板本身結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有的零件及安裝基礎(chǔ)上進(jìn)行加固處理，以降低導(dǎo)流板撕裂機(jī)率。加固改進(jìn)方案如圖2 所示。

圖2 第1 種導(dǎo)流板改造圖

說明：圖2 是伸縮節(jié)安裝新導(dǎo)流板后的局部三維剖視圖。圖中虛線框標(biāo)注的為伸縮節(jié)已存在的部件，實(shí)線框標(biāo)注的是新方案需制造、安裝的部件。

第1 種改造方式主要包括以下幾個(gè)方面：

（2）所有的槽形連接板上加焊兩塊厚度為6 mm的不銹鋼（304）加強(qiáng)板。加強(qiáng)板內(nèi)側(cè)和槽形板焊接，加強(qiáng)板外側(cè)和導(dǎo)流板焊接，焊縫高度5 mm，所有焊縫均應(yīng)連續(xù)滿焊，使導(dǎo)流板方孔的連接焊縫實(shí)現(xiàn)四周封閉（主要用于左岸伸縮節(jié)，右岸安裝前已實(shí)施）；

（3）在每塊導(dǎo)流板的環(huán)向增加4 個(gè)一字梁，2 個(gè)布置在每塊導(dǎo)流板的兩端，另外2 個(gè)沿導(dǎo)流板圓周以20°角均布。每臺(tái)機(jī)組共加裝18 個(gè)。一字梁材料為Q345，δ=20 mm，焊接在外套管上。用碳弧氣刨在導(dǎo)流板上開孔，加裝一字梁后用導(dǎo)流板焊接件封蓋導(dǎo)流板上開口，導(dǎo)流板焊接件材料為304 不銹鋼，δ=8 mm。導(dǎo)流板焊接件在焊接一字梁上后和導(dǎo)流板焊接固定；

（4）更換螺栓為A4-50 不銹鋼螺栓，并將導(dǎo)流板的所有聯(lián)接螺栓涂抹螺紋緊固膠、增加不銹鋼彈簧墊圈，以防脫落。

2.2 第2 種導(dǎo)流板改造方式

第2 種改造方式主要通過改變導(dǎo)流板的形狀，增加T 型梁等方式，降低導(dǎo)流板撕裂風(fēng)險(xiǎn)，具體如圖3 所示。

圖3 第2 種導(dǎo)流板改造圖

說明：圖3 是伸縮節(jié)安裝新導(dǎo)流板后的局部三維剖視圖。圖中虛線框標(biāo)注的為伸縮節(jié)已存在的部件，實(shí)線框標(biāo)注的是新方案需制造、安裝的部件。

第2 種改造方式改造內(nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）將原來的6 塊大導(dǎo)流板改為90 塊小型導(dǎo)流板，最大尺寸為1 320 mm×430 mm，凈質(zhì)量為38 kg（導(dǎo)流板）；

（2）將新增的“T 形梁”的腹板與伸縮節(jié)本體上端環(huán)加強(qiáng)板的斜邊之間進(jìn)行焊接。其它均為安裝件，無須焊接；

專項(xiàng)整治后我院住院患者抗菌藥物使用量與大腸埃希菌耐藥率的變化及其相關(guān)性分析 ………………… 奚彩萍等（2）：204

（3）安裝導(dǎo)流板前，在波紋管內(nèi)手工填入條狀的阻沙彈性材料（聚氨酯泡沫海綿），以保護(hù)波紋管；

（4）連接螺栓組（含螺母、大墊圈），M18×50，鍍鋅，強(qiáng)度等級(jí)≥5.6 級(jí)，共720 套，全部部件安裝完成后，將所有螺栓的頭部、墊片與導(dǎo)流板之間進(jìn)行點(diǎn)焊。

3 伸縮節(jié)導(dǎo)流板破壞機(jī)理

伸縮節(jié)導(dǎo)流板撕裂情況雖及時(shí)通過上述兩種方式進(jìn)行改造加固，定性分析導(dǎo)流板撕裂的原因，但并未有系統(tǒng)的分析和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，因此為確保伸縮節(jié)長期穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步了解破壞原因，某電廠會(huì)同相關(guān)科研單位就導(dǎo)流板破壞的機(jī)理進(jìn)行研究。

試驗(yàn)內(nèi)容主要包括：對(duì)伸縮節(jié)段水流脈動(dòng)壓力測試分析，對(duì)比機(jī)組振動(dòng)測試結(jié)果；導(dǎo)流板加焊一字梁前后的干模態(tài)測試分析；機(jī)組不同運(yùn)行工況下的導(dǎo)流板動(dòng)應(yīng)力；伸縮節(jié)上下游內(nèi)套管、外套管的動(dòng)位移和加速度[3]。

研究得出導(dǎo)流板破壞主要有幾方面的原因：

（1）從結(jié)構(gòu)布置上看，導(dǎo)流板是通過30 根螺栓固定在外套管上，導(dǎo)流板是伸縮節(jié)的子結(jié)構(gòu)。外套管的頻率較低，與機(jī)組運(yùn)行頻率接近，在上述外力作用下，上下游內(nèi)套管和外套管產(chǎn)生振動(dòng)，通過螺栓與外套管連接的導(dǎo)流板也會(huì)隨之產(chǎn)生振動(dòng)，而導(dǎo)流板方形螺栓孔是導(dǎo)流板局部薄弱部位，四個(gè)尖角處又是應(yīng)力集中區(qū)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)這些部位長期振動(dòng)運(yùn)行，最終導(dǎo)至疲勞撕裂。如果在螺栓孔口周邊加肋，孔口局部加強(qiáng)后應(yīng)力集中區(qū)緩解，但固定導(dǎo)流板的螺栓又變?yōu)榫植勘∪醐h(huán)節(jié)，最終螺栓也產(chǎn)生疲勞破壞。

（2）由于引水道中的髙速水流直接沖刷導(dǎo)流板，其振動(dòng)是不可避免的。盡管導(dǎo)流板和脈動(dòng)水壓力不會(huì)產(chǎn)生“共振”，但在脈動(dòng)水壓力作用下產(chǎn)生了較大的脈動(dòng)應(yīng)力，長期持續(xù)振動(dòng)的結(jié)果必然導(dǎo)至導(dǎo)流板應(yīng)力較大薄弱部位（孔口或螺栓）產(chǎn)生疲勞破壞。

（3）導(dǎo)流板材料開裂破壞為髙周疲勞破壞，對(duì)應(yīng)伸縮節(jié)整體頻率實(shí)測值為2.501 Hz～11.503 Hz。

（4）伸縮節(jié)有限元計(jì)算結(jié)果表明，靜水壓力作用下導(dǎo)流板與波紋管連接部位靜應(yīng)力很大，可能直接導(dǎo)致導(dǎo)流板破壞，應(yīng)加強(qiáng)研究引起注意。

4 結(jié)論

通過破壞機(jī)理研究及兩種改進(jìn)方式的采用和長期跟蹤主要得到以下結(jié)論，為后期的伸縮節(jié)維護(hù)和改造奠定一定基礎(chǔ)：

（1）導(dǎo)流板主要的破壞為髙周疲勞破壞，易出現(xiàn)在應(yīng)力集中區(qū)即方形螺紋孔處，第1 種改造方式通過對(duì)四方孔口周邊加肋，孔口局部加強(qiáng)后應(yīng)力集中區(qū)得到緩解，但固定導(dǎo)流板的螺栓又成為局部薄弱環(huán)節(jié)，因此需要定期檢查、檢修，更換導(dǎo)流板螺栓。

（2）焊接一字梁后對(duì)增加導(dǎo)流板與外套管聯(lián)接的可靠性、增加結(jié)構(gòu)剛度、減小局部振幅是有作用的。

（3）水流脈動(dòng)壓力引起導(dǎo)流板振動(dòng)，應(yīng)該在導(dǎo)流板上進(jìn)行抗振處理。減小導(dǎo)流板尺寸，不僅極大地提高了導(dǎo)流板的固有振動(dòng)頻率，也使導(dǎo)流板更換方便。第2 種改進(jìn)方式下的22 號(hào)機(jī)組伸縮節(jié)穩(wěn)定運(yùn)行近12 年，證明了該方式可降低導(dǎo)流板破壞機(jī)率。

（4）將部分導(dǎo)流板螺栓更換為不銹鋼（A4-50）材質(zhì)并增加彈簧墊圈可起到耗能、減振效果，且在干濕交替環(huán)境下，螺栓不易因銹蝕而降低強(qiáng)度。