安徽绩溪抽水蓄能电站球阀变位分析思考

赵瑞存，周淼汛，邱绍平

（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省抽水蓄能工程技术研究中心，浙江 杭州 311122）

1 工程概况

安徽绩溪抽水蓄能电站位于安徽省绩溪县，靠近皖江城市带，邻近江苏省。枢纽建筑物由上下水库大坝、下水库泄洪建筑物及输水发电建筑物组成。输水系统采用3 洞6 机的布置形式，分3 个水力单元。上、下库进水口、出水口均采用侧向闸门竖井式。压力管道采用上、下2 级斜井布置方案，从上斜井上弯段至高压支管均采用钢板衬砌，在距离主厂房上游边墙约66.00 m 处设3 个对称钢岔管。岔管后为高压支管，6 条高压支管平行布置，平面上走向为N55°W，垂直进入厂房，洞轴线间距为22.50 m。1#、3#、5#支管长度均为72.08 m，2#、4#、6#支管长度均为65.90 m。高压支管管径为2.80 m，在厂房前渐缩为2.00 m，渐缩段长度为9.00 m，钢衬外围回填混凝土厚度0.70 m。厂房内至球阀段为厂内明管，管径为2 000 mm ，长7 665 mm。

在厂房边墙（开挖边界）上游6 000 mm 位置设置J14 管节，管节长3 000 mm，管节上设置3 道止推环，环高25 cm，间距75 cm，环厚36 mm，采用Q345 R 钢板。止推环与管壁之间采用角焊缝连接，焊缝高度15 mm。

2 止推环结构设计

本工程上水库正常蓄水位961.00 m，机组安装高程233.00 m，球阀挡水时静水头为728.00 m。根据机组甩负荷水力过渡过程计算成果，球阀处最大动水头为1 000.00 m。止推环焊缝设计时，按1 000.00 m 水头作用在关闭状态的球阀上进行计算。

计算公式：

在每个止推环两侧均设置1 道角焊缝，每个止推环对应2 道角焊缝，计算得出在1 000.00 m 水头作用下，1 个止推环的2 道角焊缝应力为224.7 MPa，而角焊缝强度设计值为244.0 MPa。即假定在最大动水水头时，球阀关闭，1 000.00 m 水头全部作用在球阀上，则1 个止推环即可满足抗推要求。考虑一定安全裕度，实际设置3 个止推环，共6 道角焊缝。

钢板与混凝土具有相近的温度线膨胀系数，钢板的温度线膨胀系数为1.2×10-5℃，混凝土的温度线膨胀系数为1.0×10-5～1.5×10-5℃，这种特性使得钢管外壁回填混凝土与钢管同步变形协调。位于混凝土内的止推环，嵌固在混凝土内，能起到相应的止推作用。

3 明管段伸缩变形分析

厂房内明管段长7 665 mm，内径2 000 mm，钢管壁厚50 mm，采用800.0 MPa 级钢材，弹性模量为206 000.0 MPa。假定球阀全关时，1 000 m 水头作用在球阀上，此轴向压力由50 mm 厚钢管承担，则钢管管壁所受的轴向应力为95.7 MPa，管壁环向应力为196.2 MPa，应变为0.000 178 87，明钢管段将产生1.371 mm 的伸长变形。

针对此段明钢管，进行挡水水头敏感性分析，不同挡水水头情况下，伸长量值见表1，挡水水头与伸长量关系见图1。

表1 球阀挡水水头与明管段伸长量相关关系表

图1 球阀挡水水头与明管段伸长量相关关系图

从表1 及图1 可知，球阀挡水水头与明管段伸长量成正比关系，随着挡水水头增加，明管段伸长量随之增加。

4 温度变形分析

根据NB/T 35056—2015《水电站压力钢管设计规范》，温度变化导致的钢管最大行程（伸缩）值计算式为：

Δl= ΔTαsL0s

式中：Δl为行程（伸缩）量（mm）；ΔT为钢管温差（℃）；αs为钢材线膨胀系数，1.2×10-5℃；L0s为明管段长度（mm）。对温度进行敏感性分析，结果见表2 及图2。

图2 温度变化与明管段行程量相关关系图

表2 温度影响明管段伸缩量表

从表2 及图2 可知，温度与明管段行程也有明显的正比关系，随着温度升高，钢管伸长，温差达到30 ℃时，钢管伸长量为2.759 mm。同理，温度降低，钢管收缩。

5 球阀实测变位情况分析

5.1 球阀实测变位情况

（1）每个球阀布置2 个基座位移传感器，分别位于球阀上下游侧，相对布置，上游侧为1 号，下游侧为2 号，探头距离感应面约5.0 mm。该传感器为涡流式传感器，2 线制，模拟量输出，测量范围2.0～10.0 mm，采用24VDC 供电，输出4～20 mA电流。传感器读数只能在监控中显示，机组投产前，在监控中对球阀基座位移数值进行一次标定，即当球阀全开时将上、下游基座位移都标定为0，由于2 个基座位移传感器对称布置，故标定后，监控中显示的2 个基座位移量互为相反数（即一正一负）。监控显示，1#机、2#机从数值标定之后，球阀2 个基座位移传感器测值曲线基本上通过0 线对称，所以可以判断传感器无故障。

（2）实测数据显示，从2019 年12 月设置基准0 点开始观测，至3 月初，测值显示1#球阀向上游变位1.5 mm，3 月开始1#球阀慢慢向下游变位，到6 月变位3.1 mm（相对于基准0 点下游1.6 mm）， 2#球阀存在同样的趋势。这个趋势恰好与温度变化趋势成正相关。2020 年9 月中旬达到峰值，球阀向下游变位约3.5 mm，此后1#球阀慢慢开始向上游变位，至12 月底基本恢复到基准0 点位置（见图3）。

图3 球阀实测变位过程线（向上游变位为负值）图

（3）球阀在开停机过程中存在上下游震荡，1#球阀在开停机过程中震荡幅度为40 道（0.4 mm），2#球阀开停机震荡幅度也为40 道（0.4 mm）。说明当机组经过停机→发电→停机、停机→抽水→停机过程时，球阀由挡水状态→非挡水状态→挡水状态循环往复，位移同步循环往复。

5.2 球阀变位分析

（1）根据球阀挡水状态压力钢管明管段伸缩分析，由于球阀挡水时受到向下游的水推力作用，导致球阀向下游变位。机组正常开机后，球阀处于过流状态，向下游的水推力消失，故球阀产生向上游变位。而变位幅度则受水推力大小、钢管刚度、球阀刚度等影响，变位规律与实测情况相符。

（2）根据温度变形分析，在水温缓慢上升的过程中，温差会导致钢管伸缩变位，同步影响与之相连的球阀发生变位。2020 年1—3 月气温降低，3—9 月气温升高，9—12 月气温降低，刚好与球阀实测变位规律相符。

6 结 语

（1）压力钢管止推环设计强度满足球阀挡水时最大水头的要求。

（2）钢板与混凝土的线膨胀系数相当，两者变形协调统一。在温度变化时，混凝土与钢板同步变形协调，不会出现脱开现象，止推环起到了很好的止推作用。且位于洞内的混凝土与钢板受热膨胀主要是轴向变形，顺水流向受到混凝土与围岩间粘聚力作用，处于稳定平衡状态。

（3）厂房内明钢管会随着承受水头不同、球阀工作状态变化、温度变化等，呈现伸缩现象，且与水头及温度成正相关关系。

（4）目前实测数据显示，自2020 年9 月中旬开始，球阀在逐步向上游回弹变位，于2020 年12月底恢复到标定的基准0 值位置。