潘家口水電廠1號機組伸縮節改造方案及效果

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號機組于1981年投入運行，設計水頭63.5 m，最大運行水頭85 m。自機組投入運行以來，一直存在著壓力鋼管伸縮節嚴重漏水的缺陷，曾先后4次對漏水進行處理，但由于伸縮節施工時法蘭焊接難以控制原因，伸縮節盤根槽寬度極不均勻，經過短時間運行后，漏水仍恢復到原來的嚴重程度，造成了許多不良后果，如鋼管外部嚴重腐蝕；、加重了廠內滲漏集水井排水泵負擔；必須定期維護檢修即更換密封盤根等問題[1]。

2 伸縮節漏水原因分析

2.1 伸縮節結構

潘家口水電廠1號機組壓力鋼管直徑7.5 m，伸縮節結構為套管式，沿水流方向分別為上游側鋼管及焊接其上的法蘭、下游側鋼管及下游側活動法蘭、密封盤根和盤根壓板。上、下游法蘭各分4瓣，螺栓緊固連接。伸縮節設計軸向最大伸縮量為10 mm。伸縮節結構見圖1。

圖1 1號機組伸縮節結構示意圖

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、下游側盤根向外漏水，在1992年處理漏水時已將分瓣面焊死，但不能從根本上解決問題，焊接后從分瓣螺栓孔向外漏水，這是設計結構不合理造成的。另外，下游側填裝盤根的環縫間隙即盤根槽寬度（圖1中δ）不均勻，而且相差太大（見圖2），給盤根密封的安裝造成了極大的困難。這是安裝不當造成的。

圖2 盤根槽寬度δ

3 調研情況

為保證壓力鋼管伸縮節改造效果，組織相關技術人員進行調研和實地考察。

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，1995年開始將4臺機組伸縮節先后安裝波紋管，漏水問題得到根本解決，免維護。

柘溪水電廠，壓力鋼管直徑5.5 m，設計水頭73 m，套管式伸縮節，1996年采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節技術對4號機組進行改造，改造后不再漏水，且免維護。其他機組的伸縮節改用其他技術進行改造，改造后不漏水，但需要維護，后期將其他機組伸縮節采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節技術進行改造，不漏免維護。

潘家口蓄能電廠采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節技術對3臺機組進行改造，效果理想。

最終確定采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節技術對1號機組壓力伸縮節進行改造。

4 設計選型

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，實現波紋管的伸縮以適應原伸縮節的伸縮量：當受到失穩的外力作用時，即當機組甩負荷鋼管內產生水錘壓力作用以及波紋受力過大時，波紋管受力產生彈性變形壓在波芯體上，整圈的波芯體頂靠在法蘭內壁上（見圖3），從而使波紋管不發生塑性變形保持基本波型，失穩外力消失后波形恢復，保證結構的長期運行。同時，將波紋兩端焊接在鋼管上，鋼管內水不會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設計造型

4.2 Ф7 500亞鋼體伸縮節改型計算與分析

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

（2）內壓引起的波紋管環向薄膜應力σ1

σ1是保證任何壓力容器安全使用的先決條件和基礎環節，當獨立（或局部加強）的波紋管兩端焊接在鋼管上時即形成壓力容器。它的良好柔性滿足了壓力鋼管伸縮節變形需要，這種優勢卻恰恰劣化了它的承受內力的強度。準確的說，上述波紋管承受PD值（水壓×管徑）的能力受到極大限制，對于Ф7 500管徑16 kg/cm2水壓的工況下，

這個數值大大超過了其材質的破斷應力，即使選用雙層波紋管，應力雖然降低了一些，但仍超過σb，而當波紋管受力過大時，則被彈變壓靠在波芯體上，波芯體則整圈的頂靠在鋼管上，形成聯合受力狀態，從而使波紋管的σ1等同鋼管的σ1值。

亞鋼體結構波紋管σ1計算公式如下：

式中：P—內水壓力，為16 kg/cm2；

Dm—波紋管中徑，近似為7 500 mm；

A1—亞鋼體結構第一系數取0.8~0.9，此處取0.8；

m—波紋管層數；

SP—波紋管厚度，為4 mm；

h、W—波紋管幾何參數；

SS—原裝法蘭鋼管壁厚；

σsδ—鋼管材質屈服極限；

σsb—波紋管材質屈服極限。

從上式可以看出，亞鋼體結構波紋管的σ1在數值上基本等同鋼管的σ1值，完全滿足環向結構強度。

（3）內壓產生的波紋管殼體徑向薄膜應力σ2

式中A2為亞鋼體結構第二系數，一般取0.2~0.3，此處取0.3。

（4）內壓產生的波紋管殼體徑向彎曲應力σ3

式中CP是一個特定系數，由波紋管幾何尺寸確定，A3是亞鋼體結構第三系數，為0.3。

（5）伸縮變位引起的波紋管殼的徑向薄膜應力σ4和徑向彎曲應力σ5

按照1998年版《SJTB型壓力鋼管、蝸殼帶波紋管的套管伸縮節裝置設計導則》，選用壁厚4 mm波高30 mm波紋管，單波位移±4.44 mm，波紋設計寬為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

根據計算結果，采用SJTB型波紋密封套管式伸縮節技術，設置了3個半型波的薄壁雙波紋密封，材質為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型波芯體，材質為紫銅，見圖3。

5 改造施工方案

5.1 原伸縮節修型

為了保證原伸縮節的結構強度不變，修型時應注意：①盡量不修割上游側鋼管端面根部焊縫，必須修割時需重新焊接并保證焊縫的完整性并探傷；②要保證下游側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。依據圖4施工：先割下游側端面，上游側不動，保證85 mm這一尺寸，之后斜割上、下游側鋼管端面，內側保證120 mm尺寸，根部不動，割口要磨平。

圖4 修型后伸縮節示意圖

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，從鋼管頂部開始安裝，用楔鐵式圧馬分段將波紋管與法蘭內側圧實后，與上下游鋼管點焊；之后從頂部預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，應合格。再焊內層波紋管，內層焊接、檢查、探傷合格后做耐壓試驗。

5.3 耐壓試驗

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

6 改造后效果

潘家口水電廠1號機組壓力鋼管伸縮節是2000年改造的，改造后23年來，水頭最高時達到82 m，經歷了2008年、2018年兩次甩負荷考驗，目前，仍保持著滴水不漏的效果，真正實現了免維護。改造是成功的。