潘家口水电厂1号机组伸缩节改造方案及效果

李建民，李正才

（水利部海委引滦工程管理局，河北 唐山 064309）

1 概述

潘家口水电厂1号机组于1981年投入运行，设计水头63.5 m，最大运行水头85 m。自机组投入运行以来，一直存在着压力钢管伸缩节严重漏水的缺陷，曾先后4次对漏水进行处理，但由于伸缩节施工时法兰焊接难以控制原因，伸缩节盘根槽宽度极不均匀，经过短时间运行后，漏水仍恢复到原来的严重程度，造成了许多不良后果，如钢管外部严重腐蚀；、加重了厂内渗漏集水井排水泵负担；必须定期维护检修即更换密封盘根等问题[1]。

2 伸缩节漏水原因分析

2.1 伸缩节结构

潘家口水电厂1号机组压力钢管直径7.5 m，伸缩节结构为套管式，沿水流方向分别为上游侧钢管及焊接其上的法兰、下游侧钢管及下游侧活动法兰、密封盘根和盘根压板。上、下游法兰各分4瓣，螺栓紧固连接。伸缩节设计轴向最大伸缩量为10 mm。伸缩节结构见图1。

图1 1号机组伸缩节结构示意图

2.2 漏水原因

由于分瓣法兰变形量太大，钢管中水由各瓣连接面处、下游侧盘根向外漏水，在1992年处理漏水时已将分瓣面焊死，但不能从根本上解决问题，焊接后从分瓣螺栓孔向外漏水，这是设计结构不合理造成的。另外，下游侧填装盘根的环缝间隙即盘根槽宽度（图1中δ）不均匀，而且相差太大（见图2），给盘根密封的安装造成了极大的困难。这是安装不当造成的。

图2 盘根槽宽度δ

3 调研情况

为保证压力钢管伸缩节改造效果，组织相关技术人员进行调研和实地考察。

东江水电厂，压力钢管直径5.2 m，最高水头139 m，典型套管式伸缩节，1995年开始将4台机组伸缩节先后安装波纹管，漏水问题得到根本解决，免维护。

柘溪水电厂，压力钢管直径5.5 m，设计水头73 m，套管式伸缩节，1996年采用SJTB型波纹密封套管式伸缩节技术对4号机组进行改造，改造后不再漏水，且免维护。其他机组的伸缩节改用其他技术进行改造，改造后不漏水，但需要维护，后期将其他机组伸缩节采用SJTB型波纹密封套管式伸缩节技术进行改造，不漏免维护。

潘家口蓄能电厂采用SJTB型波纹密封套管式伸缩节技术对3台机组进行改造，效果理想。

最终确定采用SJTB型波纹密封套管式伸缩节技术对1号机组压力伸缩节进行改造。

4 设计选型

4.1 原理

全密封的薄壁双层不锈钢波纹，依其不锈钢良好的柔性和波纹弹性变形，实现波纹管的伸缩以适应原伸缩节的伸缩量：当受到失稳的外力作用时，即当机组甩负荷钢管内产生水锤压力作用以及波纹受力过大时，波纹管受力产生弹性变形压在波芯体上，整圈的波芯体顶靠在法兰内壁上（见图3），从而使波纹管不发生塑性变形保持基本波型，失稳外力消失后波形恢复，保证结构的长期运行。同时，将波纹两端焊接在钢管上，钢管内水不会再渗漏至盘根密封处，也就不再漏水。

图3 SJTB型波纹密封套管式伸缩节设计造型

4.2 Ф7 500亚钢体伸缩节改型计算与分析

（1）波纹管（薄壁波壳体）采用奥氏体不锈钢，即0Cr18Ni9Ti，其许用应力[σ]=1 290 kg/cm2，弹性模量Eb=201×104kg/cm2，屈服强度σ=2 050 kg/cm2，抗拉强度σb=4 400 kg/cm2，芯体装置（波芯体）采用紫铜[2]。

（2）内压引起的波纹管环向薄膜应力σ1

σ1是保证任何压力容器安全使用的先决条件和基础环节，当独立（或局部加强）的波纹管两端焊接在钢管上时即形成压力容器。它的良好柔性满足了压力钢管伸缩节变形需要，这种优势却恰恰劣化了它的承受内力的强度。准确的说，上述波纹管承受PD值（水压×管径）的能力受到极大限制，对于Ф7 500管径16 kg/cm2水压的工况下，

这个数值大大超过了其材质的破断应力，即使选用双层波纹管，应力虽然降低了一些，但仍超过σb，而当波纹管受力过大时，则被弹变压靠在波芯体上，波芯体则整圈的顶靠在钢管上，形成联合受力状态，从而使波纹管的σ1等同钢管的σ1值。

亚钢体结构波纹管σ1计算公式如下：

式中：P—内水压力，为16 kg/cm2；

Dm—波纹管中径，近似为7 500 mm；

A1—亚钢体结构第一系数取0.8~0.9，此处取0.8；

m—波纹管层数；

SP—波纹管厚度，为4 mm；

h、W—波纹管几何参数；

SS—原装法兰钢管壁厚；

σsδ—钢管材质屈服极限；

σsb—波纹管材质屈服极限。

从上式可以看出，亚钢体结构波纹管的σ1在数值上基本等同钢管的σ1值，完全满足环向结构强度。

（3）内压产生的波纹管壳体径向薄膜应力σ2

式中A2为亚钢体结构第二系数，一般取0.2~0.3，此处取0.3。

（4）内压产生的波纹管壳体径向弯曲应力σ3

式中CP是一个特定系数，由波纹管几何尺寸确定，A3是亚钢体结构第三系数，为0.3。

（5）伸缩变位引起的波纹管壳的径向薄膜应力σ4和径向弯曲应力σ5

按照1998年版《SJTB型压力钢管、蜗壳带波纹管的套管伸缩节装置设计导则》，选用壁厚4 mm波高30 mm波纹管，单波位移±4.44 mm，波纹设计宽为90 mm，最大弹性变量允许±11.32 mm，完全满足伸缩变位要求。

4.3 选型

根据计算结果，采用SJTB型波纹密封套管式伸缩节技术，设置了3个半型波的薄壁双波纹密封，材质为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，波纹管厚为4 mm，波高30 mm，波纹密封的外波中装有环型波芯体，材质为紫铜，见图3。

5 改造施工方案

5.1 原伸缩节修型

为了保证原伸缩节的结构强度不变，修型时应注意：①尽量不修割上游侧钢管端面根部焊缝，必须修割时需重新焊接并保证焊缝的完整性并探伤；②要保证下游侧钢管端面与盘根槽边缘有5 mm以上距离，防止盘根露出，失去止水效果。依据图4施工：先割下游侧端面，上游侧不动，保证85 mm这一尺寸，之后斜割上、下游侧钢管端面，内侧保证120 mm尺寸，根部不动，割口要磨平。

图4 修型后伸缩节示意图

5.2 波纹密封安装

（1）拼接波纹管，注意焊接工艺。

（2）安装波纹管。先安装外层波纹管，从钢管顶部开始安装，用楔铁式圧马分段将波纹管与法兰内侧圧实后，与上下游钢管点焊；之后从顶部预留口处串入紫铜波芯体；将波纹管焊接在上下游钢管上；打磨、检查、100%探伤，应合格。再焊内层波纹管，内层焊接、检查、探伤合格后做耐压试验。

5.3 耐压试验

在钢管内侧安装45副弧长500 mm压马将波纹管压实，防止变形；在伸缩节靠近底部位置向内、外层波纹管间注水，在顶端预留口安装管及阀门，排气；依次打压至0.2 MPa初步检查、1.60 MPa耐压试验，耐压30 min不渗漏为合格。

6 改造后效果

潘家口水电厂1号机组压力钢管伸缩节是2000年改造的，改造后23年来，水头最高时达到82 m，经历了2008年、2018年两次甩负荷考验，目前，仍保持着滴水不漏的效果，真正实现了免维护。改造是成功的。