高水頭水電站壓力鋼管伸縮節動力安全研究

嚴根華，孫云茜，3

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

本文依托工程的單機容量與三峽電站基本相似，左岸引水壓力鋼管尺寸類同，單機最大引用流量Q=889.25 m3/s，但在壩體與廠房之間的引水管道之間設置的伸縮節采用不同的構造形式。三峽水電站引水壓力鋼管伸縮節部位導流筒曾出現過脫落事故，說明電站發電過程中，下泄水流產生了脈動荷載，誘發了伸縮節導流筒(套管)的結構振動和疲勞損傷，因此，深入研究水流脈動壓力荷載對導流筒結構的動力作用，揭示其結構的流固耦合動力特性，對其安全性進行評價，對存在問題提出抗振優化措施，以確保發電系統安全運行具有重要的社會意義和工程價值。

水電站引水壓力鋼管伸縮節主要由上下游端管、中間管、外側套管、波紋管及導流筒和其他輔助構件幾部分組成。伸縮節作為一種補償器，能夠發揮補償作用是由其自身的構造所決定的：外側套管連接上下游端管和中間管，構成伸縮節的骨架；波紋管嵌于中間管和端管之間，能夠承受縱向和橫向的位移，起到補償的作用；導流筒置于端管和中間管的內側，一端以焊接的形式固接于端管處，另一端為自由端，即導流筒為一環形懸臂結構，其主要功能是引導水流，保證水流順暢，同時保護外側的波紋管免受水流的直接沖擊作用。由于波紋管位于導流筒外側和外套管內側之間，其不直接承受或較少承受動水荷載作用，因而導流筒的安全與穩定決定了伸縮節的工程可靠性。針對本工程布置和壓力鋼管構造特點，考慮水動力學與導流筒流激振動問題比較復雜，需要通過流激振動試驗和動力數值分析相結合的方法來完善導流筒的水力結構設計，以確保工程的安全運行。

水電站引水壓力鋼管伸縮節部位的受力主要源于伸縮節及其鄰近區域在不同發電流量條件下，水流脈動壓力對輸水鋼管邊壁，尤其對伸縮節部位的動力作用情況，因此取得水流脈動壓力的譜特征和數字特征及脈動能量在頻域的分布情況，對伸縮節導流筒的振動分析是必備的數據信息資料；輸水鋼管伸縮節導流筒的流固耦合固有振動特性是結構振動分析的基礎，因此需要通過動力分析研究取得其振動頻率和振型等信息；此外通過水彈性振動模型試驗，測定導流筒結構的振動響應參數為結構振動分析提供依據；最后優化導流筒結構，提出伸縮節導流筒結構抗振優化措施和避免焊縫疲勞破壞的措施和方法，確保電站運行安全。

1 伸縮節導流筒結構的水動力作用特征

1.1 正常發電工況下伸縮節導流筒動水壓力荷載特征

電站在正常發電運行狀態下(上游水位380.0 m，流量889.25 m3/s)，作用于伸縮節導流管正反兩面的動水壓力屬于低頻特征的隨機荷載。從時域過程看，脈動壓力信號平穩，無突變信號，符合正常水流運動的正態隨機過程(見圖1)。測到的最大脈動壓力峰值31.6 kPa，脈動壓力能量在頻域的分布表現了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內，其優勢頻率在2.7～2.8 Hz左右，水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。

圖1 典型測點水流脈動壓力時域過程及譜密度曲線

1.2 機組甩荷工況下伸縮節導流管動水壓力荷載特征

機組甩荷過程是動水作用由正常水流脈動作用轉化為水擊壓力的過程，也是動水作用顯著增加的過程。試驗根據電站甩負荷過程曲線考察了作用于伸縮節導流管結構上的水錘壓力作用情況。試驗結果顯示，在上游水位380.0 m，發電流量889.54 m3/s情況下，機組甩荷時，動水壓力顯著增加，并出現2個沖擊壓力峰值，其中第一峰的量級較關閉前高出60～75 kPa左右，爾后的第二峰值約170～200 kPa；從頻域過程圖來看主要體現了閥門關閉過程中，以低頻段為優勢頻率段。在整個甩負荷的過程中，導流筒正反面的壓力變化趨勢和量級基本一致。

1.3 非正常運行工況下導流筒動水壓力特征

在庫水位上升過程中，壓力鋼管伸縮節段經歷一個從自由出流到摻氣流的紊動過程，再到滿管流的流態變化，其中，摻氣水流的紊動過程使動水壓力的脈動荷載明顯增加，隨著電站引水發電處于正常，作用于伸縮節導流筒上水流脈動壓力處于平穩狀態，說明有摻氣流運動的過程對于壓力鋼管、導流筒本身亦是有害的。

2 伸縮節導流筒的動力特性分析

工程上引水壓力鋼管伸縮節導流筒發生脫離破壞事故的主要原因在于導流筒結構在動水荷載作用下發生較大振動而引起疲勞破壞，其中結構產生流體共振和焊縫疲勞破壞是兩大主要因素。因此需要對伸縮節導流筒結構的固有振動特性進行分析。

若考慮伸縮節與上游部分非混凝土澆筑固結部分壓力鋼管的彈性作用，且將導流筒上游焊縫處作固結約束邊界，則在考慮流固耦合時導流筒結構的第一階振動頻率值為17.24 Hz(干模態基頻85.6 Hz)。應當指出，考慮流固耦合時結構固有頻率值明顯下降，最大降幅達到80%，流體對結構的動力特性影響很大，設計計算時必須考慮流固耦合的影響。

由水電站正常發電運行狀態下作用于伸縮節導流筒正反兩面的動水壓力能量譜密度可知，水流動水壓力荷載屬于低頻隨機荷載，脈動壓力能量在頻域的分布表現了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內，其優勢頻率在2.7～2.8 Hz左右；水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。而導流筒結構的流固耦合振動基頻在為17.24 Hz，因此，壓力鋼管伸縮節部位的水流脈動荷載不會對導流筒結構產生共振作用。

3 伸縮節導流筒結構的流激振動響應特征

按照正常運行、機組甩負荷等工況對伸縮節導流筒流激振動響應進行試驗研究，以揭示導流筒結構的振動響應特征。導流筒振動模型通過特制的全水彈性材料研制。

3.1 導流筒振動模型的設計和制作

根據結構運動方程，伸縮節導流筒的水彈性模型應當同時滿足幾何尺寸相似，水流運動相似，結構動力相似(質量密度、彈性模量、泊松比等參數的相似性)，經推導如下參數的比尺要求為：質量密度比尺ρr=1；彈性模量比尺Er=Lr；泊松比比尺μr=1；阻尼比尺Cr=L2.5。工程上導流筒采用鋼質結構，其基本物理力學參數如下，容重7.85×104N/m3，彈性模量2.10×105MPa，泊松比0.3，選定的水彈性模型幾何比尺Lr=30。水彈性模型材料按水彈性相似原理，其基本物理力學參數應如下，容重7.85×104N/m3，彈性模量1.05×104MPa，泊松比0.3。目前市場上沒有同時滿足上述參數的型材，因此，本次試驗采用的材料為南京水利科學研究院特別研制的特種水彈性材料。該材料運用重金屬粉、高分子材料等進行多組分特種材料研制，并運用專用模具特制適合本工程采用的型材。測試結果表明，選用的水彈性材料基本達到材料密度ρm=ρp′，結構彈性模量Er=Lr的要求。

3.2 正常運行情況下導流筒流激振動特征

在正常發電工況下(上游水位380.0 m，流量889.25 m3/s)，伸縮節導流筒結構的振動位移響應較小，試驗實測最大振動位移為0.2～0.5 mm，振動位移優勢頻率在0～5 Hz之間，主要集中在3.5 Hz前后，具有受迫振動響應特征，伸縮節導流筒典型測點振動位移時域過程及分析如圖2所示。

圖2 伸縮節導流筒典型測點振動位移時域過程及分析

3.3 機組甩荷情況下導流筒流激振動特征

機組在正常發電情況下突遇故障而緊急甩荷時，由于在輸水系統壓力鋼管內產生水錘壓力波，導流筒正反兩面同時受到水擊荷載的作用，此時導流筒結構出現與水錘壓力基本同步的振動響應。從相干函數考察，振動位移與動水壓力之間在頻域上具有良好的相關性，導葉關閉過程動水壓力—測點位移相關函數如圖3所示。水錘壓力作用下的導流筒振動位移峰值為1.1 mm。其振動響應幅值約為正常發電工況的2～5倍。

圖3 導葉關閉過程動水壓力—測點位移相干函數

4 伸縮節導流筒結構的振動位移和應力數值分析

導流筒典型節點位移時域過程見圖4，導流筒典型節點應力時域過程見圖5。從圖4、5可以看出，在考慮作用于導流筒正反面荷載延遲0.4 s，焊縫處固結約束條件下，機組在正常發電運行工況下各節點最大位移在0.151～0.204 mm，各節點最大應力在6.563～8.902 MPa；甩荷工況最大位移在1.045～1.355 mm；最大應力在45.48～58.47 MPa之間變化。甩負荷工況導流筒結構位移和應力值是正常運行工況時的2～4倍，與模型試驗位移響應測量結果基本一致。顯然，機組甩負荷對結構的動力影響較大。

圖4 導流筒典型節點位移時域過程

圖5 導流筒典型節點應力時域過程

5 伸縮節導流筒結構的抗振優化設計

考慮到導流筒結構長期處于動水作用下工作，結構的抗振能力及抗疲勞強度需要給予高度重視。雖然導流筒原布置方案的振動響應和焊縫結構應力處于許可范圍之內，但為增加導流筒結構抗振和抗疲勞安全裕度，在防脫落板部位改設限位板，以控制結構振動位移，進一步減小焊縫振動應力。

5.1 導流筒抗振優化方案簡介

為了控制伸縮節結構的位移和應力，在伸縮節下游端設置90塊限幅板，板尺寸為100 mm×50 mm×10 mm。限幅板下游端與壓力鋼管焊接，上游端與伸縮節搭接50 mm。伸縮節采用Shell63單元建模，考慮壓力鋼管端固結和流固耦合(附加質量法)，用施加試驗所得的荷載時域過程計算其動力響應。

5.2 伸縮節優化方案動力響應分析

計算考察工況分為正常運行工況和機組甩荷工況。計算成果表明，正常運行工況下各節點最大位移在0.000～0.096 mm之間變化，甩負荷工況最大位移在0.000～0.659 mm之間變化；正常運行工況下各節點最大應力在2.199～2.767 MPa之間，甩荷工況最大應力在14.961～19.728 MPa之間。

顯然，機組在正常發電運行或甩負荷工況下伸縮節導流筒優化布置方案的節點最大動位移較原方案下降51%～53%，最大動應力下降66.2%～68.9%，抗振優化效果顯著。

6 結 語

通過對水電站引水壓力鋼管伸縮節導流筒水動力荷載試驗測量、導流筒結構的動力特性分析、導流筒水彈性振動試驗以及導流筒動位移和動應力數值計算分析，得到如下主要結論：

(1)電站在正常發電運行狀態下，作用于伸縮節導流管正反兩面的動水壓力屬于低頻特征的隨機荷載。測到的最大脈動壓力峰值為31.6 kPa，脈動壓力能量在頻域的分布表現了低頻特征，主能量集中在4.5 Hz以內，其優勢頻率在2.7～2.8 Hz左右，水流脈動能量在10 Hz以上已基本衰減。

(2)機組甩荷過程是動水作用由正常水流脈動作用轉化為水擊壓力的過程，動水壓力顯著增加，并出現2個沖擊壓力峰值，其中，第一峰的量級較關閉前高出60～75 kPa左右，爾后的第二峰值約170～200 kPa。在整個甩負荷的過程中，導流筒正反面的壓力變化趨勢和量級基本一致。

(3)考慮流固耦合時導流筒第一階振動頻率值為17.244 Hz，振型分段數為20，每個振型的分段數不同。對于每一彎曲振動模態，總存在同頻率、相位差90°、空間差1/2波長正交的兩個彎曲振型。考慮流固耦合時振動模態頻率值顯下降，降幅最大為80%。流體對結構的動力特性影響較大，數值計算時必須考慮流固耦合的影響。

(4)導流筒水流脈動壓力的優勢頻率集中在2.7～2.8 Hz之間，5 Hz以上的脈動能量已經大大衰減，導流筒結構一階基頻為17 Hz，因此，機組運行時一般不會引發結構流體共振現象。

(5)在正常發電工況下，伸縮節導流筒結構的振動位移響應較小，而當機組突遇故障而緊急甩負荷時，水錘壓力作用下的導流筒振動位移幅值迅速增加，約為正常發電工況的2～5倍，且導流筒結構的振動響應與水錘壓力基本同步；從相關函數考察，振動位移與動水壓力之間在頻域上具有良好的相關性。

(6)伸縮節導流筒優化布置方案動力響應參數測量結果顯示，機組在正常發電運行或甩負荷工況下，伸縮節導流筒優化布置方案的節點最大動位移較原方案下降51%～53%，最大動應力下降66.2%～68.9%，抗振優化效果顯著。

(7)導流筒疲勞強度分析結果顯示，伸縮節結構在動荷載作用下滿足抗振動疲勞安全要求，增設導流筒限幅板后對抗疲勞能力具有更大安全裕度。

(8)試驗結果還指出，伸縮節導流筒開設平壓孔對水流動水壓力沒有產生明顯影響，因此可以考慮不設平壓孔。