壓力鋼管伸縮節導流板改進方式及破壞機理研究

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電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

某電廠機組引水壓力鋼管設置的伸縮節，主要為了適應和解決工程蓄水之后和運行時帶來的水頭壓力變化和四季水流溫差產生的引水壓力鋼管軸向變位循環位移補償問題，以及壩體在分縫處的地質變位不均勻沉降引起的徑向變位[1]。伸縮節內導流筒的安裝則可以減少伸縮節段的水頭損失，并保護波紋管等水封設施。某電廠自伸縮節投運后，部分機組伸縮節內出現導流板撕裂等現象，通過對現場情況的勘察和定性分析，對伸縮節導流板進行改造，并對改造后的伸縮節導流板進行原型觀察，以了解伸縮節導流板破壞機理，通過長期檢查結果驗證改造后的實際效果，為后期伸縮節導流板的維護改造奠定堅實的基礎，確保伸縮節安全穩定運行。

1 伸縮節導流板介紹

某電站設置的伸縮節，結構上主要由上下游內套筒、上下游波紋管、上下游水封裝置及導流筒組成[2]，具體如圖1 所示。為便于伸縮節波紋管檢修，其導流筒采用了可拆式結構。左岸電站部分機組伸縮節導流筒長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，環向間距約為433 mm。整個導流筒由6 塊導流板組成（導流板尺寸：8 mm×6 496 mm×1 320 mm，材料：304不銹鋼），用180 個M16×50 螺栓固定在外套管上；6 塊導流板之間又由30 個螺栓將其聯接為一個圓筒；平均每塊導流板上沿周邊有40 個固定和聯接螺栓。左岸連接螺栓為M16 8.8 級碳鋼螺栓。每塊導流板上還開有28 個Φ120 mm 的平壓孔，用于平衡導流板內側和外側的壓力變化。右岸電站部分機組設置了伸縮節，與左岸相比，右岸伸縮節導流板上游側平壓孔全部封堵，下游側平壓孔采用孔板與盲板間隔封堵，聯接螺栓直徑增大，右岸采用的是M18 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼螺栓。

圖1 伸縮節局部構造

某電站左岸機組伸縮節投運以來，曾出現伸縮節導流板聯接螺栓斷裂現象，更換聯接螺栓后，運行后又發現導流板裂紋，隨后對部分機組腰線以下平壓孔進行了間隔封堵，運行后檢查，腰線以下導流板未發現裂紋，腰線以上未封堵平壓孔部位局部發現裂紋，后對腰線以上平壓孔也進行了間隔封堵。某右岸電站機組伸縮節總結左岸伸縮節處理經驗，對上游側平壓孔進行了封堵，下游側平壓孔采用孔板與盲板間隔封堵，但運行后發現部分聯接螺栓斷裂，其中22F 伸縮節導流板出現了脫落現象。

2 導流板改進措施

根據導流板損壞的現象分析，導流板開裂的主要原因是交變應力作用下的疲勞破壞，導流板出現撕裂現象常發生于導流板最薄弱處即導流板固定螺栓處，為防止導流板撕裂，對導流板進行加固改造。

2.1 第1 種導流板改造方式

為防止導流板撕裂現象，導流板改造方式1 主要是在不改變導流板本身結構，在現有的零件及安裝基礎上進行加固處理，以降低導流板撕裂機率。加固改進方案如圖2 所示。

圖2 第1 種導流板改造圖

說明：圖2 是伸縮節安裝新導流板后的局部三維剖視圖。圖中虛線框標注的為伸縮節已存在的部件，實線框標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）加強板。加強板內側和槽形板焊接，加強板外側和導流板焊接，焊縫高度5 mm，所有焊縫均應連續滿焊，使導流板方孔的連接焊縫實現四周封閉（主要用于左岸伸縮節，右岸安裝前已實施）；

（3）在每塊導流板的環向增加4 個一字梁，2 個布置在每塊導流板的兩端，另外2 個沿導流板圓周以20°角均布。每臺機組共加裝18 個。一字梁材料為Q345，δ=20 mm，焊接在外套管上。用碳弧氣刨在導流板上開孔，加裝一字梁后用導流板焊接件封蓋導流板上開口，導流板焊接件材料為304 不銹鋼，δ=8 mm。導流板焊接件在焊接一字梁上后和導流板焊接固定；

（4）更換螺栓為A4-50 不銹鋼螺栓，并將導流板的所有聯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 種導流板改造方式

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

圖3 第2 種導流板改造圖

說明：圖3 是伸縮節安裝新導流板后的局部三維剖視圖。圖中虛線框標注的為伸縮節已存在的部件，實線框標注的是新方案需制造、安裝的部件。

第2 種改造方式改造內容主要包括以下幾個方面：

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

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

專項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性分析 ………………… 奚彩萍等（2）：204

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

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

3 伸縮節導流板破壞機理

伸縮節導流板撕裂情況雖及時通過上述兩種方式進行改造加固，定性分析導流板撕裂的原因，但并未有系統的分析和相關試驗數據支撐，因此為確保伸縮節長期穩定運行，進一步了解破壞原因，某電廠會同相關科研單位就導流板破壞的機理進行研究。

試驗內容主要包括：對伸縮節段水流脈動壓力測試分析，對比機組振動測試結果；導流板加焊一字梁前后的干模態測試分析；機組不同運行工況下的導流板動應力；伸縮節上下游內套管、外套管的動位移和加速度[3]。

研究得出導流板破壞主要有幾方面的原因：

（1）從結構布置上看，導流板是通過30 根螺栓固定在外套管上，導流板是伸縮節的子結構。外套管的頻率較低，與機組運行頻率接近，在上述外力作用下，上下游內套管和外套管產生振動，通過螺栓與外套管連接的導流板也會隨之產生振動，而導流板方形螺栓孔是導流板局部薄弱部位，四個尖角處又是應力集中區，機組運行時這些部位長期振動運行，最終導至疲勞撕裂。如果在螺栓孔口周邊加肋，孔口局部加強后應力集中區緩解，但固定導流板的螺栓又變為局部薄弱環節，最終螺栓也產生疲勞破壞。

（2）由于引水道中的髙速水流直接沖刷導流板，其振動是不可避免的。盡管導流板和脈動水壓力不會產生“共振”，但在脈動水壓力作用下產生了較大的脈動應力，長期持續振動的結果必然導至導流板應力較大薄弱部位（孔口或螺栓）產生疲勞破壞。

（3）導流板材料開裂破壞為髙周疲勞破壞，對應伸縮節整體頻率實測值為2.501 Hz～11.503 Hz。

（4）伸縮節有限元計算結果表明，靜水壓力作用下導流板與波紋管連接部位靜應力很大，可能直接導致導流板破壞，應加強研究引起注意。

4 結論

通過破壞機理研究及兩種改進方式的采用和長期跟蹤主要得到以下結論，為后期的伸縮節維護和改造奠定一定基礎：

（1）導流板主要的破壞為髙周疲勞破壞，易出現在應力集中區即方形螺紋孔處，第1 種改造方式通過對四方孔口周邊加肋，孔口局部加強后應力集中區得到緩解，但固定導流板的螺栓又成為局部薄弱環節，因此需要定期檢查、檢修，更換導流板螺栓。

（2）焊接一字梁后對增加導流板與外套管聯接的可靠性、增加結構剛度、減小局部振幅是有作用的。

（3）水流脈動壓力引起導流板振動，應該在導流板上進行抗振處理。減小導流板尺寸，不僅極大地提高了導流板的固有振動頻率，也使導流板更換方便。第2 種改進方式下的22 號機組伸縮節穩定運行近12 年，證明了該方式可降低導流板破壞機率。

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