伸缩节超拉及收缩的原因分析及处理方法
2013-07-31张雪花
张雪花
(新疆汇通水利电力工程建设有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000)
1 工程简介
新疆伊犁雅玛渡水电站位于新疆伊犁哈萨克自治州巩留县境内，工程位置距伊宁市62km，距巩留县县城40km。雅玛渡水电站主要建筑物有分水闸、引水渠、排冰闸、压力前池、溢流堰、泄水槽、压力管线、电站厂房、尾水渠。引水渠长6209m，尾水渠长2375m，压力管线长2006.8m。电站装机容量3 ×44MW，压力引水管线采用单机单管，单根压力管线长2015m，采用全压力钢管的布置型式。
该标标段范围为:桩号管0 + 000.00 ～管1 +794.231 范围压力钢管制造、安装，镇墩和伸缩节室混凝土浇筑。
该标段建筑物有压力管道及镇墩、伸缩节室。
压力管线采用浅埋回填管，布置在开挖的沟槽内，管顶平均回填深度2.0m，回填料为开挖的砂砾石土。引水压力管共3 根，单根管线长2015m。
压力钢管单管管径4.0m，该标段3 根管线单根长度分别为1771m、1776m、1781m，总长5328m，工作压力0.4 ～1.8MPa。，单机设计引用流量33.33m3/s，相应管内最大流速2.65m/s，钢管壁厚由12mm 增大到24mm，均采用16MnR 钢制作。钢管内外壁均采用厚浆型环氧沥青防腐涂料进行防腐处理。
2 伸缩节模拟管的使用
由于伸缩节未按时到货，伸缩节到场时压力钢管已安装一年，考虑到安装进度要求，在伸缩节没到场之前，一部分伸缩节部位以模拟管代替，伸缩节到场后采取插装方案。在后续的压力钢管安装过程中，伸缩节采取顺装的方法。
1 ～8 号共24 套伸缩节采用了模拟管代替伸缩节进行安装(见图1)。
图1 伸缩节模拟管示意图
3 伸缩节安装时出现的问题
伸缩节到场后采取插装方法。在后续的压力钢管安装过程中，采取顺装的方法。钢管安装均控制钢管高程、中心、里程，但在伸缩节安装时发生上下游钢管中心错位、不同心，伸缩节超拉等现象。伸缩节作为连接上下游的钢管，其设计理念应以伸缩节的伸缩量作为压力钢管因温度、外界压力等因素而伸缩的补给量，应充分考虑压力钢管在高温下的安装伸缩量。
但在伸缩节安装后出现了不同程度的拉伸变形，其变形量参见2011 年4 月2 日测量值(见下表)。由于变形为产品正式投入运行前发生的变形(产品上的波纹管固定部件被损坏)，因此产品必须进行复位或者更换。
伸缩节安装拉伸变形情况表
10 号 上游侧 880 838 865 840______________下游侧 860 875 840 865___11 号 上游侧 840 850 840 870_______________下游侧 882 885 885 870___12 号 上游侧 810 845 800 815______________下游侧 840 810 840 820 B 管___________________________9 号 上游侧 875 893 830 835______________下游侧 830 830 885 880___10 号上游侧 845 860 845 860______________下游侧 870 860 855 850___11 号 上游侧 920 880 862 818______________下游侧 830 870 860 933___12 号 上游侧 815 805 800 810_______________下游侧 845 860 860 860___C 管____________________________9 号 上游侧 820 855 855 910______________下游侧 885 865 855 830 10 号 上游侧 810 820 810 820______________下游侧 890 900 895 915 11 号865______________下游侧 850 870 885上游侧 870 880 855 900 12 号 上游侧 800 795 805 800_______________下游侧 825 835 830 835___
根据测量结果，A、B、C 管的1 ～8 号伸缩节拉伸程度相对较小，经判断可以通过恢复伸缩节至原始状态而继续使用，而9 ～12 号伸缩节拉伸量相对较大，须分别判断。
经详细计算，1 ～12 号拉伸节，每段波纹管在没有内压荷载的情况下，其极限拉伸量为100mm，由于波纹管固定部件损坏情况不一致，导致每件产品的2段波纹管拉伸量不一致，因此需对每段波纹管进行单独分析。凡拉伸超过100mm 的波纹管便已损坏，不能继续使用，没超过100mm 的波纹管可以恢复原始状态后继续使用。由于1 ～8 拉伸量均未超过100mm，因此可以恢复使用，而9 ～12 号拉伸量较大，因此我们对9 ～12 号伸缩节重新进行了测量。结果表明:B管的11 号，C 管的9 ～11 号波纹管均出现了大于100mm 的拉伸量，因此须更换。
4 月25 日，项目部、厂家、监理单位及业主在对4 月2 日测量数据进行分析的基础上，确定对单边长度超过850mm 的伸缩节进行复核测量，测量结果与4月2 日结果基本吻合。
经过多次讨论后，一致认为:
(1)对拉伸量大于900mm 且具有最大拉伸量的伸缩节进行外护套的解体，检查外观变形情况并对波纹管进行无损检测;根据解体的情况，确定波纹管是否更换。
(2)根据工程设计单位和产品厂家的意见，对所有的伸缩节进行尺寸恢复。
4 伸缩节恢复的方案
4.1 1 ～8 号伸缩节处理方案
1 ～8 号伸缩节是在钢管回填后进行安装的，通过对其实际测量数据的分析，伸缩节发生了不均匀的拉伸或压缩，采用割开一端焊缝调整波纹管的方法进行修复，如图2 所示。其修复程序如下:
(1)将伸缩节与伸缩节室内墙距离较大的一端环缝割开，切割前将伸缩节切割端用千斤顶顶住，防止焊缝切开后伸缩节下降。
(2)调整波纹管使其长度恢复至出厂值1600mm，安装时预压至1590mm，用U 形板固定。
(3)修割管口，补充长度不小于150mm 接管将伸缩节与压力钢管连接。
(4)焊接接管焊缝。焊接方法和要求如下:
1)先焊接接管与伸缩缝的焊缝，然后将伸缩节固定波纹管的U 形板去除，使伸缩节恢复伸缩性能后再焊接接管与压力钢管的焊缝。
图2 伸缩节修复示意图
2)伸缩节恢复时的焊缝均按一类焊缝要求进行焊接及探伤检查，探伤具体要求为:100% UT、10%PT，必要时可加拍X 光片。
4.2 8 ～12 号伸缩节修复方案
8 ～12 号伸缩节为顺装伸缩节，通过对其实际测量数据的分析，伸缩节发生了不同程度的拉伸，需调整伸缩节的拉伸长度保证每个波纹管的长度均在设计范围内，拉伸长度过大的需要更换波纹管，其余不需要更换波纹管伸缩节的修复程序同上，需要更换波纹管的伸缩节首先将伸缩节两端环焊缝割开吊出，伸缩节室交由伸缩节制造厂家更换波纹管，波纹管更换后再重新进行安装，其安装程序如下:
(1)将伸缩节一端与钢管连接。
(2)修割另外一端钢管管口，补充宽度不小于150mm 接管将伸缩节与钢管连接。
(3)焊接接管焊缝。焊接方法和要求如下:
1)先焊接接管与伸缩节的焊缝，然后将伸缩节固定波纹管的U 形板去除，使伸缩节恢复伸缩性能后再焊接接管与压力钢管的焊缝。
2)伸缩节恢复时的焊缝均按一类焊缝要求进行焊接及探伤检查，探伤具体要求为:100% UT、10%PT，必要时可加拍X 光片。
4.3 人员配置、工期计划
设置2 个施工班组，每个班组配置组队人员6人、焊工4 人，同时展开两个工作面进行施工，每个班组完成一个伸缩节修复需7 天。
5 伸缩节出现二次施工的原因
伸缩节安装时昼夜温差较大，使得插装部分的伸缩节上下游管口中心错位较大;顺装部分的伸缩节限位板在温度作用下断裂，造成伸缩节伸缩长度接近其设计伸缩值。此外，压力钢管安装是在1∶4.726 的斜坡上进行的，由于自身重力原因与温度原因，钢管自然下滑，造成伸缩节伸缩量过大。
伸缩节上下游钢管中心错位严重、不同心以及超拉的原因如下:
(1)钢管未掩埋前，正是盛夏，钢管受太阳直射，早中晚分别直射对钢管的左中右部分，因此，钢管的温度变形因照射方向的改变不断发生变化，即左拱、上拱、右拱。又因照射钢管时的角度偏差，每部分钢管的受热程度不一，即温度变形方向与大小不统一，因此在最薄弱模拟管位置，工字钢长时间受这种力的作用发生扭曲，变形，甚至断裂。同时，扭曲变形导致伸缩节前后钢管的中心及高程发生较大的位移，上下游管口发生错口，对伸缩节的安装造成了很大困难。钢管由于壁厚较薄，管径又相对较大，在自重作用以及回填土的重力影响下，钢管发生变形，使得圆度发生变化。
(2)钢管自重是与温度同时对伸缩节产生影响的，由于伸缩节上下游两侧均有较大的钢管，伸缩节安装完成后，其上游侧的压力钢管可伸缩部分近70m，平均重量在135t 左右，在温度升高时，钢管发生膨胀，受此作用力伸缩节会向下游移动，而温度降低时，钢管发生收缩，伸缩节受此作用力会向上游移动。随着伸缩节下游侧钢管的安装，下游钢管重量及长度不断增加，由于坡比为1∶4.726，因此下游侧随着钢管的安装会越来越重，伸缩节受下游侧钢管的作用力也越来越大，下游的作用力会逐渐大于上游的作用力，又因伸缩节是整段钢管最薄弱的部位，受钢管伸缩作用力会挤压或拉伸伸缩节，在伸缩变形过程中下游侧钢管随温度升高发生膨胀，但受钢管自重下滑力以及摩擦力的影响，在温度降低时钢管受冷收缩值是小于膨胀值的。因此，较长时间后，伸缩节波纹管的运输固定组件被拉开，伸缩节发生伸缩活动，部分位置会超出其设计伸缩值。
综上所述，伸缩节二次安装主要是自然环境影响造成。经过伸缩节厂家测量后认为部分伸缩节经复位调整后可继续使用。
