冷冻暂堵带压换阀技术在橡胶坝中的应用

刘 虎，陈吉亮，贾成杰

（山东临沂水利工程总公司，山东 临沂276000）

小埠东橡胶坝枢纽工程位于临沂市区沂河干流上，工程规模为大（2）型，工程等别为Ⅱ等，工程总长1 247.4 m。其中橡胶坝共16 节，每节坝袋净长70 m，充水后坝高3.5 m，橡胶坝段长1 135 m。工程于1997 年建成蓄水，充坝后最大蓄水量为2 830 万m3。工程建成23 年来，先后对消能、海漫进行多次加固，并于2011 年进行坝袋更换。随着工程运行，泵室充排水设备老化严重，原左右岸泵室各设4 根排水主管，每根排水管控制2 节坝袋排水，4 根主管道连接母管和排水泵，每根主管前端设一个闸阀控制坝袋排水。受当时条件限制，未设检修阀。本次加固设计需更换8 组闸阀，由于闸阀与坝袋排水管道贯通连接，如放水作业将造成大量水量损失因此在蓄水情况下作业成为本次加固方案首选。

1 方案选择

1.1 塌坝放水方案

本次加固最初的设想是放掉坝前蓄水，橡胶坝设计蓄水位65.5 m，汛后实测坝前水位是65.3 m，上游一次蓄水量为2 506 万m3。实施费用约2 004.8 万元，工期40 d。由于加固施工要求在汛后枯水期实施，因此一旦放水施工，造成巨大经济损失，河道干枯，严重影响城区地下水补给和生态景观要求。

1.2 坝前填筑围堰方案

初步设计考虑在橡胶坝底板前20 m 外填筑挡水围堰，坝前河底高程约62.0 m，现状水位为65.3 m，水深3.3 m，按堰顶超高0.5 m，堰顶宽度3.0 m，坡比1∶2.5 计算，围堰填筑量为5.92 万m3，填筑料在河道上游用抽砂船施工，围堰上游侧铺设土工膜防渗，坡面编织袋装土护砌。施工费用总计492.5 万元，施工期60 d，完工后还要拆除围堰。

1.3 冷冻暂堵带压换阀方案

经考察论证，借鉴输油、供热管道施工应用的冷冻暂堵带压开口技术，分析工程现状情况，在水位差4.5 m 情况下，静水压力为0.045 MPa，考虑水位变化渗水压力等情况，按照0.1 MPa 计算封堵水压。该法施工费用24.8 万元，工期22 d，最后确定采用冷冻暂堵带压换阀方案。

2 带压换阀工艺

2.1 施工工艺流程

施工准备→冷媒装置加工→冷媒机安装→检修阀法兰焊接→加注冷媒作业→温度控制及压力试验→切割外部管道→安装检修阀→拆除管路封堵管口→现场清理。

2.2 施工位置选取及管道参数选择

1）施工位置选取。选取泵房边墙与闸阀间的管道为作业区，取0.8 m 段加工储存冷媒装置，设置冷冻进气阀和排气阀以及冷媒加料管，作业区外开口位置预先焊接检修蝶阀法兰片。

2）管道装置参数选择。原排水管道自橡胶坝底板排水口经两次弯管通过泵房底板进入泵室，向上弯曲后与闸阀连接。管道水平中心高程61.0 m，因排水管兼做供水管使用，由于供排水管线长度不同，左右岸泵室4 条排水主管分别用A、B、C、D 区 分，管 径 分 别 为Dg370、Dg350、Dg320、Dg280，4 条主管与母管连接，排水泵设在母管上。因主管材质为碳素钢无缝钢管，因此冷冻装置的外包管亦选取碳素钢无缝钢管，按照大二级型号选取外套管，因此冷冻装置管径分别为：Dg450、Dg420、Dg400、Dg350。主管道钢管壁厚8 mm，外包封管壁厚采用8 mm；经考察冷媒性能指标，选取冷媒温度为-50°～-60°。为保证作业安全，冷冻后监测压力值取0.3 MPa 以上。

2.3 带压冷冻操作施工

1）冷冻装置及设备。结合泵室结构情况，冷冻主管道起点位置从泵室底板混凝土面向下凿除10cm，用砂浆找平后焊接下封堵盘，将无缝钢管包焊在主管道外，上下与封堵盘焊接成为储存装置，储存装置上事先焊接好冷媒输入口、输出口，外接法兰与冷冻机连接。在冷媒输出口处预留冷媒注入口，当冷媒数量不足时及时加注。

冷媒装置外接冷冻机，选用SKRQ 系列超低温载冷剂制冷机组，设备冷却温度范围为-40°～-86°可调，施工时制冷温度控制在-50°～-60°范围。受泵室密闭环境限制，需充分考虑安全、防火防毒要求，同时满足制冷效果，选用TOSP-8 系列R32 型冷媒做载冷剂，该型号产品为双向宽温域高效载冷剂，无毒、不燃，可控温度为-60°～100°。

2）冷冻工艺过程。人员设备就绪后进行单管冷冻作业，按工艺流程加注冷媒开启制冷机，每2 h 监测一次冷冻温度，从常温逐步降低到-50°以下控制制冷量，温度保持2 h 后进行压力监测，冷媒机压力值控制高压侧读数为0.75 MPa，低压侧读数为0.30 MPa。这样管道表面冷冻传导至管道内水上，逐步降低温度使管道内水凝结成冰，完成一根主管道冷冻。

3）试验监测数据。施工过程中进行各项数据监测，保障各工序作业在安全条件下进行。观测管道压力、导温液温度、管道温度，每2 h 进行一次记录，分析数据变化情况，随时调整作业时间，经预埋压力表实测，冷冻后管道反向压力值均大于0.30 MPa，超过水位压力。

4）管内压力测试。冷冻过程中按时观测压力、温度及仪表的读数。使温度、压力值均衡变化。缓慢降低管道的温度，当管道的温度稳定在-53°左右时，将预先在管道上焊接的压力表三通管套丝钻孔，封堵外口2 h 后实测冷冻管内部压力，参照给水管道水压试验规范，当试验压力满足设计压力1.5 倍，即压力表读数满足0.15 MPa时即为冷冻效果满足要求，本次施工8 根主管道冷冻后闸阀端实测压力值均大于0.30 MPa。在此安全条件下切割主管道，安装新检修阀门，完成带压换阀施工。

5）检修阀安装。各项参数指标达到技术要求后，快速切割管口更换蝶阀。用切割机切割主管道，打磨预先焊好的法兰片，检查焊口质量情况，符合要求时安装检修蝶阀，检查检修阀的开关性能，满足要求后关停冷冻机，冷冻管在自然条件下解冻。最后收回导温液，拆除制冷机，用微膨胀混凝土填充冷媒储存装置，起到保护冷冻管后期运行安全的作用，按同样工艺方法完成左右岸8根排水管换阀维修作业。

3 风险控制

一是由于泵室内空间狭窄，首先加强泵室内通风排气，预防施工人员中毒；其次要防止冷媒管道及储存装置泄漏，做好应急预防措施；选取无毒、不然、不易挥发的冷媒材料，严禁施工现场出现明火，防止灼伤冻伤危害。二是为预防意外发生，前期检查管道内壁腐蚀情况，用测厚仪测量原钢管壁厚，确认原管道无明显锈蚀；先开机试运行，检查管路及冷却温度参数变化；因维修阀门所在的位置在管道的弯曲部位，冷冻过程中随时观察管道冷缩变化，严格控制温度下限值，防止管道内部结冰膨胀将管道冻爆。