湊合節在球閥安裝中若干問題的研究

葛軍強

（國網新源控股有限公司，北京市 100761）

湊合節在球閥安裝中若干問題的研究

葛軍強

（國網新源控股有限公司，北京市 100761）

湊合節上游連接壓力鋼管、下游連接球閥上游連接管，其安裝質量對整個球閥的安全穩定運行有著重要影響，通過分析和實際應用，本文總結了湊合節制造安裝單位的選擇以及安裝、配割方式對球閥整體安裝質量的影響。

湊合節；球閥；壓力鋼管

0 概述

在水電站中，裝置在蝸殼前、連接引水系統與水輪機蝸殼的閥門統稱為主進水閥。主進水閥一般可分為蝶閥、球閥等，抽水蓄能電站由于水頭高、壓力大的特點，主進水閥一般采用球閥。球閥在安裝過程中，由于上游連接引水系統壓力鋼管，下游連接蝸殼，因此引水系統壓力鋼管與蝸殼進口段中心位置偏差是否在設計允許范圍值內，與球閥的安裝質量密切相關。根據水電站一般建設程序，球閥安裝之前，蝸殼與引水系統壓力鋼管均已安裝完成，并已澆筑混凝土，為使上游壓力鋼管、球閥、蝸殼三者形成平緩過流面，在球閥安裝過程中，壓力鋼管湊合節成為調節壓力鋼管與蝸殼安裝偏差的較好途徑。

1 球閥的結構及主要作用

1.1 結構

球閥設計為臥軸、油壓操作、雙面金屬密封、水壓操作密封環、套筒式伸縮節結構，主要由球閥閥體、活門、上游及下游密封、伸縮節、上游延伸段、旁通閥、操作機構等部件組成。閥體的底部設有排污閥，用于檢修時排掉積水和泥沙，正常運行時處于關閉狀態。閥體的頂部設有排氣閥，用于在充水時排出閥體內的空氣，正常運行時處于關閉狀態。

球閥上下游連接管（延伸段）與球閥本體用螺栓把合，球閥下游伸縮節（含下游連接管）通過螺栓與蝸殼延伸鋼管段相連，蝸殼延伸段與蝸殼進口段在工地焊接。

湊合節上游與壓力鋼管定位環相連、下游與球閥上游連接管（延伸段），采用工地焊接形式。

1.2 主要作用

（1）為機組檢修提供安全工作條件。機組檢修時，在靜水中關閉進水閥，截斷機組進水。同時，對于引水系統一管多機的電站，檢修時隔離機組上游隧道，保證其他非檢修機組的正常運行。

（2）減少導葉漏水量。對于高水頭水電站，因其高水頭、壓力大，導葉漏水量大，設置主進水閥可以減少導葉漏水，從而可以避免因漏水造成的導葉間隙之間空蝕損壞，以及因導葉漏水量增大導致不能停機的問題。

（3）縮短機組重新啟動時間。對于長引水管道的水電站，因其充水時間長，延長了機組的啟動時間，設置主進水閥可縮短機組重新啟動所需的時間，提高機組運行的靈活性。

（4）避免事故擴大。當水輪機組調速系統發生故障，機組轉速升高到整定值的情況下，動水緊急關閥，防止事故進一步擴大。

2 球閥的安裝工藝流程

球閥的安裝主要包括球閥及接力器基礎安裝、球閥吊裝、伸縮節安裝、上游連接管安裝、接力器安裝、油壓裝置安裝、壓力鋼管及蝸殼排水管安裝、自動化元件及附件安裝。球閥的安裝方式或程序可以有多種，主要還要由安裝單位根據現場安裝條件以及實際經驗進行確定。

球閥安裝前的球閥本體及接力器基礎混凝土強度應達到設計要求，特別是基礎板下方澆筑的二期混凝土，不應有脫空情況。現場具備安裝條件后，首先，吊入湊合節，初步調整湊合節下游側管口的中心、高程，根據測量數據初次配割壓力鋼管湊合節（預留10mm第二次配割），并與壓力鋼管定位節初步固定；其次，將接力器吊入并連接在基礎板上臨時固定，吊入上下游連接管并臨時存放在球閥基礎上下游；然后，將球閥本體吊裝至球閥基礎，調整中心、高程、方位及水平；測量球閥上游側法蘭至湊合節距離、下游側法蘭至蝸殼進口段距離，和球閥上下游連接管實際長度對比，第二次配割湊合節，切割量應考慮焊接收縮2mm；將上游連接管與球閥上游側法蘭用螺栓預裝，將下游連接管與球閥下游側法蘭用螺栓預裝；將湊合節與壓力鋼管、上游連接管焊接，將伸縮節延伸段與蝸殼進口段焊接；焊接完成后，依次把緊球閥與上下游連接管的法蘭、球閥基礎固定螺栓；最后，完成接力器正式、油壓裝置及操作系統管路。

球閥安裝流程如圖1所示。

3 湊合節制造安裝單位的選擇

考慮到壓力鋼管湊合節屬于高強鋼，且在球閥安裝中的作用較為重要，單位的選擇也將直接影響到其安裝制造質量。從目前國內的水電機組安裝情況來看，一般情況有如下幾種方式，各有其優缺點。

圖1 球閥安裝流程圖

（1） 制造安裝單位均由引水系統施工單位完成。這種方式比較適合引水系統屬于鋼襯的襯砌形式，引水系統施工單位在現場制造引水系統壓力鋼管時，可以同時制造湊合節，現場制造的設備與人員有保障，可保證湊合節制造水平。但由于引水系統壓力鋼管施工與蝸殼、球閥安裝有一定施工時間差，引水系統施工單位提前將湊合節與壓力鋼管焊接好的話，如果蝸殼進口段與壓力鋼管中心偏差較大，湊合節將只有下游側孔口可以配割，增加了利用湊合節調整的難度。如果引水系統單位將壓力鋼管施工完成后，不焊接湊合節，等到蝸殼安裝完成、球閥到貨后，與球閥一起安裝，雖然湊合節上下游孔口在球閥安裝時均可切割，提高了壓力鋼管、球閥、蝸殼三者中心位置調整的便利性，但引水系統施工單位施工和焊接人員此時可能已大部分撤離，人員上可能無法保障。

（2）制造由引水系統施工單位負責，安裝由機組安裝單位負責。如上所述，如果湊合節由引水系統施工單位負責，安裝由機電安裝單位負責，由機電安裝單位負責湊合節上下游焊縫的現場配割、焊接等工作，將有效解決上述問題。但由于機電安裝單位在高強鋼的焊接能力、經驗方面，可能會與壓力鋼管專業制造安裝單位存在一定差距，如果湊合節上下游這兩條焊縫過程質量控制不嚴，可能會影響焊縫焊接質量，進而對地下廠房安全造成一定威脅。

（3） 制造由主機設備廠家負責，安裝由機組安裝單位負責。這種方式比較適合于引水系統屬于混凝土襯砌的形式，混凝土襯砌的引水系統，施工現場一般不設立鋼管制造廠，由于制造量較少，一般納入主機標，由主機制造單位負責制造、機組安裝單位負責安裝。

4 湊合節安裝方式的選擇

湊合節一般有瓦片湊合、套筒式、整體湊合等方式，我國壓力鋼管湊合節安裝的傳統工藝為瓦片式，瓦片式湊合節最少需要分3塊瓦（底部一塊、頂部兩塊對稱布置），現場需要焊接3條縱縫，增加了焊接應力，尤其是與合攏縫的“丁”字焊接處，產生應力集中，從而導致湊合節成為整條鋼管受力的薄弱部位。20世紀90年代，從國外引進了套筒式的安裝工藝，其后，該方法便與瓦片式安裝方法并行于業界。然而，這兩種方式均存在較大缺點，整體式湊合節與之相比，不僅安裝質量好、省時、經濟，而且殘余應力小，受力狀態好，將是今后湊合節安裝工藝的大勢所趨。

（1）取消了安裝現場縱縫。大大減少了湊合節安裝時的徑向應力和應力集中現象，改善湊合節在整條鋼管內的受力特點，提高了鋼管的使用壽命。

（2）降低了安裝難度。采用瓦片式湊合時，需要在一塊瓦片的長度方向預留切割裕量，現場安裝最少需要一條縱縫進行切割拼湊，且環峰壓裝時，瓦片易產生扭曲變形。而采用整體安裝時，將管節直接整體吊入安裝位置，組裝采用對稱法壓縫，有效釋放內部應力，不會產生整節鋼管的扭曲變形，大大降低了安裝難度，提高安裝質量。

（3） 減少了吊裝程序。整體湊合時每個湊合節只需一次吊裝，而采用瓦片湊合最少需要吊裝3次。

（4）降低了安裝成本。整體湊合大大降低了機械和人工的使用量，與瓦片湊合相比，降低機械設備使用量2/3，減少人工約1/2，經濟效益明顯。

5 湊合節的配割方式

現場直接量取湊合節制作長度，以相鄰上下兩管口下底點為基準，按15°等分圓周，每等分量取一組數據，并根據上下管口中心偏差，將量取的尺寸進行修正，確定下料尺寸。如果球閥中心與壓力鋼管中心偏差較小（6mm以內），焊接時可通過控制錯牙量（錯牙最大不超過壁厚的10%，且不超過6mm），來滿足湊合節安裝的技術要求。如果球閥中心與壓力鋼管中心偏差較大，可同時配割湊合節上下游，將湊合節截面配割成近似于平行四邊形。

6 湊合節的整體安裝

湊合節安裝時，上游縫為合攏縫。安裝壓縫時，對合攏縫不進行定位焊接，采用騎馬板限位固定，騎馬板一端與管壁焊接，另一端自由，并緊貼管壁，保證下游焊縫壓縫和焊接時湊合節的上游管口能夠自由伸縮，減少下游焊縫的拘束應力。為防止環縫壓裝時產生扭曲，上下游環縫從下底點開始，分4組人員左右對稱同時壓裝，下游縫在外側進行定位焊接，上游縫在外側焊接騎馬板限位，壓縫是保證錯位小于1mm，環縫間隙0～3mm。為控制鋼管的受力狀態，減少整條鋼管在湊合節安裝后的拉應力作用，湊合節的尺寸在施工階段最低溫度時量取，安裝時的溫度保持與量取時基本一致。

湊合節壓縫完成，環縫焊接之前，對焊縫間隙、錯臺、管壁直線度進行檢查，合攏焊縫完成后，先進行外觀檢查，檢查合格后按一類縫標準進行探傷檢測，檢查結果應都能達到設計和規范要求。

7 結束語

壓力鋼管湊合節的安裝質量，對地下廠房的安全至關重要，因此必須加強湊合節制造安裝驗收等各環節的管理，確保制造安裝質量，同時，在機組投產運行后，還應加強焊縫的變形監測，確保不發生由于湊合節制造安裝質量引起水淹廠房事故。

[1] 李浩良，孫華平．抽水蓄能電站運行與管理．杭州：浙江大學出版社，2013．

[2] 杜天棕．壓力鋼管湊合節結構與施工的探討．焊接技術，1999，28（5）：33-35．

葛軍強（1981—），男，碩士，工程師，主要從事抽水蓄能電站水機專業管理。

The Reserch on Some Problems of Adjuster of Steel Pipe During Spherical Valve Installaion

GE Junqiang
（State Grid Xin Yuan Company Limited，Beijing 100761，China）

The adjuster of steel pipe can connect between the penstock upstream and the connection spherical valve downstream.The installation quality will have an important influence on the safe and stable operation of the entire spherical valve.Through analysis and practical application，this paper summarizes how to choose the manufacture and installation units and to impact the overall installation quality of the spherical valve for the different modes of installation and cutting section.

adjuster of steel pipe; spherical valve; penstock