三个泉倒虹吸伸缩节变形分析

马 芳 赵多明

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 新疆 乌鲁木齐 830000）

1 引言

新疆北疆供水工程总长513.34km，工程穿越荒漠、沙漠、绿洲平原极大的凹槽区域。供水工程全线穿最大的凹槽区域三个泉吉拉沟地槽段，吉拉沟地槽位于第三系砂岩泥岩地层的荒漠段与古尔班通古特沙漠的分界处，槽宽约12km，沟深约160m。穿越这个凹槽区域采用倒虹吸方案与两侧引水明渠连接，称为三个泉倒虹吸。

三个泉倒虹吸工程全长10.927km(管线长10.566km)，最大静水压力为1.6MPa，允许的总水头损失为28.60m。管道采用PCCP与钢管的组合方案，设置倒虹吸管两根，即1.4MPa以下（包括1.4MPa）采用预应力钢筒混凝土管，单线管长为7386.27m，内径为2.8m。1.4MPa以上采用钢管，单线管长为3181m，内径为2.7m。双管设计流量30.5m3/s，加大流量35m3/s。

2 伸缩节设计原则

三个泉倒虹吸压力钢管直径较大，工作压力高，镇支墩地基条件较差（处于岩石段和沙漠段交汇处，地基不均一，且地基承载能力低），年温差和昼夜温差很大，为满足工程需要，伸缩节设计基本原则如下：

（1）要有足够的轴向伸缩量，计算最大轴向伸缩量为96mm，设计最大伸缩量为150mm；

（2）为适应钢管横向变位和镇支墩不均匀沉降，要允许有角变位不超过5°的挠曲度，要允许有不超50mm的径向变位；

（3）要有良好的防漏措施；

（4）要便于安装和拆换；

（5）要伸缩灵活和耐磨。

3 伸缩节形式

在三个泉倒虹吸钢管段设有32×2套伸缩节，伸缩节有5°可绕角，为双伸缩结构。按照本工程对伸缩节的要求，调查了国内外多种伸缩节的运用情况，最终选定了可挠式伸缩节，也称为双法兰套筒式伸缩节。

伸缩节为上下游对称式结构，外套管为一件，其余均为上下游各一件。伸缩节包括以下部件：连接短管、内套管、外套管、C型密封止水胶圈、止水挡环、O型止水胶圈、胶圈固定法兰、限位螺杆。这种伸缩节的特点在于止水圈尺寸较小，内外套管之间基本上与周围线接触，且为双套筒，所以能适应角变位和径向变位的要求。在这些变位中，止水仍能正常工作。而一般的套筒式伸缩节，其止水盘根较长，盘根与内外套管之间为面接触，盘根压圈刚度又很大，所以，即使是双向套筒式伸缩节也难以适应角度位和径向变位。经工程实践证实，三个泉倒虹吸明管采用这种新型的可挠式伸缩节是适宜的。止水环节过多，是这种伸缩节的一个缺点，C型止水效果较好，而四对法兰上的O型止水效果有待实践检验和改进。

4 变形分析

表1 三个泉倒虹吸伸缩节偏转角统计表

自2006年正式通水运行以来，随着通水时间的累计，2009年发现三个泉倒虹吸 2# 管线钢管段 16#、22#、26#、27#、28#、29#、30#镇墩处伸缩节变位异常，其中16#、26#、28#和 29#镇墩处的伸缩节扭动变形较大，26#和29#镇墩处的伸缩节变形最为严重，基本已接近设计单向极限偏转角（5°），观测数据详见表1。一般情况下，左右向偏转角度较大。从现场检查，变形较大的伸缩节已被挡环挤压，伸缩节变形受左右侧挡环的限制，变形较大的伸缩节几乎已无变形空间。

根据观测数据和现场分析，伸缩节发生较大变形主要是管身发生左右方向的挠曲变形和偏向位移，竖直方向的变形不大。引起管身发生变形的原因主要有以下几点。

4.1 环境温度

环境温度引起管道左右侧管身温度分布不均匀，管身一侧受温较高，管身发生挠曲，温差越大，挠曲变形越大，引起伸缩节变形就越大。

4.2 制造和安装质量

由于伸缩节的制作工艺较复杂，在本工程中是组配，未有统一单位生产组装，伸缩节的个体差异相对较大；伸缩节在安装时未充分考虑到温度的控制，未避开温度最高或最低时段。

在伸缩节的实际安装过程中，发现伸缩节的外套管不在上下游两个内套管的对称位置上，而是偏在一边，或者偏向上游，或者偏向下游。所偏的一边，外套管已与内套管靠得很近。伸缩节安装完成时，受限位螺杆限制，外套管是基本居中的，当限位螺杆拆除后，在以后的伸缩变位中，使其偏向一边了，表明伸缩节外套管，在膨胀变位和收缩变位的交替变化中，它不能自如地返回到安装完成时的位置上去。这说明上游和下游的内套管与外套管之间的滑动阻力是不均匀的，在伸缩（即推拉）过程中，外套管与内套管的变位也就不均匀，使外套管与内套管之间的相对变位只能朝一个方向，或主要朝一个方向发展。由此推测，外套管偏向一边是不能回复的变位积累的结果。

如果人为将外套管调整至居中位置，在每天的循环变位中，很快又会偏向一边。如果将内外套管阻力调为一致或接近，也是难以办到的。在管轴坡度较平缓的情况下，若将伸缩节置于两镇墩中间，约可减少一半的轴向伸缩量，且伸缩节上下游内套管的伸缩状况基本同步，似可改善上述问题。

4.3 左右侧挡环挤压

伸缩节较大扭动变形是管身发生较大挠曲和偏位的表现，可引起伸缩节的破坏，影响管道正常通水。但是更重要的是较大挠曲和偏位，改变了钢管受力状态，使管身处于不利的应力状态中，恶化了管内水力条件。频繁的温度变化，特别是在非通水期，不仅引起管身挠曲变动，也引起管体应力的频繁变化。部分伸缩节挡环的挤压使伸缩节和管身处于不均衡受力状态，对管身和伸缩节产生不利影响，长期运行对伸缩节会产生破坏作用。钢管管道在这种状态下长期运行，给工程安全带来很大隐患。

经分析判断认为：温度变化和温度分布不均匀是钢管伸缩节在工程完成后产生变形和扭动的主要原因；支墩和镇墩的不均匀沉降很小，不足以引起管道的扭曲和偏位变形；目前伸缩节变形已较大，实际变形能力未必能到达设计单向极限偏转角5°的要求而不产生破坏。

针对以上情况，在2010年通水前对变位较大16#镇墩处的伸缩节采取了用千斤顶将其复位，在钢管一侧的垫板上焊接挡块，限制其变形的方法，据观察效果较为明显，在2010年通水过程中，此处伸缩节运行正常，伸缩节基本无变化。在伸缩节复位过程中，一定要注意避免破坏橡胶圈止水，同时应考虑到如果伸缩节变形不是很大，对工程运行未造成影响，尽量不采用设置挡块，限制其变形。

5 结语

伸缩节变形在工程的运行过程中是不可避免的，应加强伸缩节的生产工艺控制、安装过程控制，减小因人为因素造成伸缩节的变形，在工程的运行管理过程中应加强伸缩节变形的观测，合理的运行调度，尽量降低伸缩节因温度变化而影响其变形。同时，判断出引起管身和伸缩节变形的主要原因,针对主要变形原因采取相应工程和管理措施,减少变形发展。比如采取遮阳措施、加固支墩、限制支墩沉降和变形、校正伸缩节、采取有利运行的维护和管理措施等等。陕西水利