浅析向家坝水电站厂房引水压力钢管伸缩节设计与试验

王德金 吴天明

（中国长江三峡集团公司 四川成都 610093）

摘 要：向家坝水电站厂房引水压力钢管伸缩节采用“波纹管+橡胶”两道水封的伸缩节方案结构，整体结构比较特殊，制造、组装工艺非常复杂。依据项目特点，分析了伸缩节的设计计算方法、总体结构设计和优化、导流筒的水动力试验和波纹管型式检验方案。

关键词：伸缩节 波纹管 橡胶水封 设计

向家坝左岸坝后式厂房，共安装有4台800MW机组，引水管道采用坝后钢衬钢筋混凝土背管的布置型式，钢管内直径12.20m。为适应厂、坝间不均匀变形，在各引水管道末端、厂房上游边墙处设有伸缩节。伸缩节两端接口总长3.0m，钢管内径12.2m，钢管壁厚54mm，设计水头压力1.5MPa。伸缩节按轴向位移20mm，径向位移13mm，最大位移循环次数大于等于1000次设计。

伸缩节结构型式为附加橡胶填料水封的波纹管伸缩节，其填料水封部分和波纹管水封部分都能满足强度、刚度、稳定性、变形疲劳寿命及封水不泄漏等设计条件。每套伸缩节外设检修室，并布置有用于伸缩节检修和观测所必需的通道扶梯及平台。

伸缩节由上下游端管、中间接管、外套管、压圈、波纹管水封、橡胶填料水封、导流筒以及限位装置等组成。端管、中间接管、外套管的材料为07MnCrMoVR，波纹管材料为304不锈钢，其他结构件材料主要为Q345。伸缩节总长3000mm，每套净重量约为110.7t。因受现场吊装吨位的限制，故伸缩节在运输、交货、储存时均分成两段（上游段和下游段，长度各为1500mm），且每段吊装重量小于等于65t。

1 项目要求与特点

（1）向家坝水电站是国家级的特大型重点工程，对伸缩节运行安全要求万无一失。因此本项目对设计、试验和制造质量都提出了严格的安全和质量要求。

（2）向家坝伸缩节的水封型式和三峡水电站一样，均为波纹管水封+橡胶填料水封结构，其各项参数除了钢管直径略小于三峡水电站之外，其他参数均高于三峡水电站，特别是伸缩节的轴向位移是20mm，为三峡水电站的2倍；径向位移值是13mm，为三峡水电站的4.3倍，这给伸缩节的结构设计带来了许多新的困难，也使向家坝伸缩节的整体结构要比三峡水电站更为复杂。

（3）为确保伸缩节运行安全，本项目要求对导流管的振动问题进行专题试验研究，并在试验研究的基础上对导流管进行结构优化。

（4）本项目要求首件波纹管要进行型式检验（包括疲劳试验），由于直径大、压力高、位移循环量大，该项试验为目前国内最高参数的波纹管疲劳试验，其试验工装必须特制，试验难度也较大。

（5）本项目伸缩节结构比较特殊，制造、组装工艺非常复杂。由于一套伸缩节的焊接熔覆金属重量约近5t，不但焊接工作量很大，而且由于部分焊缝比较集中，焊接变形控制的难度很高，整个制造工艺过程的尺寸控制难度很高。

（6）本项目要求首台伸缩节必须进行水压试验，且水压试验压力为设计压力的1.5倍（2.25MPa）。这样大的巨型伸缩节水压试验难度较高。

2 伸缩节设计

伸缩节采用“波纹管+橡胶”两道水封的伸缩节方案，即结构型式为不锈钢波纹管加橡胶水封系统的套筒式双向伸缩节。

2.1 设计计算方法

（1）波纹管水封系统设计采用应力分析设计方法。应力分析设计主要设计依据为GB/T 12777《金属波纹管膨胀节通用技术条件》，并参考GB 16749《压力容器波形膨胀节》、EJMA《美国膨胀节制造商协会标准》。

（2）伸缩节的其他简单结构受力部件、焊接节点、防腐等设计按照现行的机械、水利、电力和国家标准及规范进行设计。对于带加强筋板的复杂结构受力部件采用有限元方法计算。

（3）伸缩节对伸缩节检修室两端墙处钢管的影响（应力，变形等）采用有限元方法计算。

2.2 总体结构

2.2.1 波纹管水封结构

根据伸缩节变位特点，波纹管水封系统的结构采用复式自由型，波纹管水封系统（即膨胀节）的两个端管即为伸缩节的上游端管和下游端管。

波纹管采用薄壁、多层、加强U形的型式，材料为SUS 304不锈钢。

在波纹管外侧，上、下游各设置了一个加强的保护外套管，这个外套管同时也是橡胶填料水封的压力边界和支承座。

为保护波纹管，并减少波纹管段内表面对水流流动的影响，在上、下游波纹管段的钢管内侧各设置了一个加厚的导流筒。导流筒采用一端焊接、一端悬臂的永久性结构，其优点是连接可靠。在每个导流筒的环焊缝上，沿圆周还设置了96块阻裂板。导流筒和阻裂板的材料均采用Q345-R（或Q345-C）。

波纹管水封和橡胶填料水封结构剖视图见图1。

2.2.2 橡胶填料水封结构

橡胶填料水封是当波纹管水封发生泄漏时，才作为第二道压力密封边界起作用的。在结构上，填料套管组件是焊接固定在波纹段外套管的内侧端环上。填料套管和填料压圈均为筋板加强的组件结构。

图1 波纹管水封+橡胶填料水封结构剖视图（单位：mm）

压圈压紧螺栓为M36mm双头螺栓，上、下游每个压圈上沿圆周各设置96组螺栓。

用于密封的填料组采用组合橡胶结构（普通橡胶+遇水膨胀橡胶+普通橡胶）。

2.2.3 其他结构

为防止因上、下游填料阻尼不一致引起单侧波纹管位移过大的现象，在伸缩节上沿圆周共设置了上、下游各24组双向限位装置，限位推杆头部是M85mm的调节双螺母。

为便于检测，在伸缩节上、下游波纹管段外套管的底部各开设了一个带可拆式堵头的信号孔。

2.2.4 伸缩节室布置情况

伸缩节室布置情况如图2所示。

图2 伸缩节室布置图（高程单位：m，尺寸单位：mm）

伸缩节室包括：伸缩节检修和位移观察所必需的通道扶梯及平台，主要有：下观察平台、直梯、上观察平台、上半圆梯等。上述附件装置均通过膨胀螺栓锚固在伸缩节室的地坪和边墙上。

3 导流筒的水动力试验和结构优化

在伸缩节设计审查会议上，为避免出现国内某电站曾经发生的伸缩节导流筒在水流作用下疲劳破坏，造成导流筒出现裂纹和局部脱落现象。评审专家提出对伸缩节进行水力学模型试验，并在此基础上优化导流结构的设计。具体要求如下。

通过伸缩节导流筒水力学模型试验及计算分析，评估现有的导流管设计方案在结构和性能上是否能满足向家坝水电站设计和运行的要求（主要指导流管在水流冲击下的强度、刚度、振动等是否满足运行安全条件）。

通过伸缩节导流筒水力学模型试验及计算分析，对现有的导流筒结构方案提出具体的优化和改进建议，并对专家提出的有关问题进行评估。2011年1月，某水科院完成了项目水动力试验工作，设计单位依据试验结果，采取以下设计改进措施：

（1）在导流管上开设平压孔后，动水压力和水弹性振动响应没有明显变化，同时考虑到伸缩节内波纹管部位拟放置填充物，可以考虑不设平压孔，但要保证导流筒端部与管壁间留有足够间隙。

（2）为保证导流筒首部焊缝的疲劳强度，建议采取以下措施：①采用等强度匹配原则，选择合适的焊接材料和工艺；②焊缝质量要求采用ISO5817焊缝质量等级B级标准；③对焊缝进行100%的X射线探伤；④焊后对焊缝进行去应力处理（超声冲击处理）；⑤对焊缝部位进行适当防腐处理。导流筒首部焊缝质量对于确保伸缩节的安全运行具有重要意义，必须采取有效措施，严格保证焊缝质量。

（3）鉴于试验模型与原型，及试验条件与实际运行工况的差异，可考虑对伸缩节部位埋设必要的观测仪器，以便于运行中的监测分析。

4 波纹管型式检验

4.1 型式检验项目

波纹管先进行试生产2件，第2件用于型式检验，型式检验项目见表1。

为了解波纹管的实际疲劳寿命安全裕度，在型式检验第4项疲劳试验完成后，继续进行疲劳破坏试验。

4.2 疲劳试验装置

图3是波纹管疲劳试验装置的三维俯瞰图。

图3 波纹管疲劳试验装置三维俯瞰图（单位：mm）

疲劳试验机安置在环形基座上，内侧为一个钢板复合钢筋混凝土的内衬圆筒，沿圆周设置了16组循环拉压油缸，为保证16组油缸的循环同步，液压系统设置了分路调速系统。为保证循环位移的轨迹曲线和平稳，在每组油缸的伸出远端还设有杠杠式导向装置。疲劳试验装置结构型式见图4。

由两个波纹管串联组焊而成的试验件按图示位置装入疲劳试验机中，并将试验件的内套管上部和试验机的内衬套管之间焊接联成一体。调整循环位移量大于等于±27.07mm。

4.3 疲劳试验情况

4.3.1 型式检验疲劳试验

试验内压1.5MPa，循环位移量大于等于±27.07mm，循环位移频率3～4次/min，试验过程中由检验人员值班观察压力变化情况，进行记录，并不断在外围进行巡视。当记录循环次数达到2000次以上时，经检查确认波纹管无渗漏、无异常变形后试验结束。

4.3.2 疲劳破坏试验

型式检验疲劳试验完成后，继续进行波纹管疲劳破坏试验。疲劳破坏试验的工作参数和型式检验时相同，当记录循环总次数达到9412次时，发现试验波纹管外侧出现渗漏点，且内压出现下降，现场进行见证后试验全部结束。

对经过疲劳试验的波纹管试件进行切割、报废处理。

图4 疲劳试验装置结构型式图（单位：mm）