厂坝分缝处钢管预留环缝焊接时机对垫层蜗壳的影响 Influence of welding time to circumferential seam reserved for connecting penstock in dam and powerhouse parting on spiral case with cushion layer.pdfVIP

水 利 学 报 2014年2月 SHUILI XUEBAO 第45卷 第2期 文章编号：0559-9350（2014）02-0213-07 厂坝分缝处钢管预留环缝焊接时机对垫层蜗壳的影响 胡 蕾，石长征，伍鹤皋，傅 丹 （武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072） 摘要：对于坝后式水电站，厂坝分缝处钢管预留环缝焊接时机和分缝下游侧是否设置止推环均对垫层蜗壳以及水 轮发电机组支撑结构的受力和变形存在影响。本文建立了坝-厂房三维有限元模型，通过数值模拟手段研究了上 述影响。结果表明，对于坝后式水电站，在坝体变位作用下引水钢管对蜗壳进口作用一个数值可观、指向下游的 推力，因此在分析垫层管过缝对厂房结构的影响时，在蜗壳进口施加轴向约束的简化处理不能合理反映实际情 况。不同焊接时机条件下设置止推环对垫层蜗壳的受力、座环的抗剪等都是有利的，尤其在上游水位较低时焊接 预留环缝，止推环的作用效果更加明显，在可能的条件下建议设置止推环。与此同时，为确保水轮发电机组的安 全稳定运行，建议以座环和机墩的对角不均匀上抬变形为主要考虑因素，尽可能在上游水位较低时焊接钢管预留 环缝。 关键词：水工结构；厂坝分缝；焊接时机；止推环；垫层蜗壳 中图分类号：TV731 文献标志码：A doi: 10.13243/ki.slxb.2014.02.011 1 研究背景 在坝后式水电站中，如果厂房与坝体为整体结构，受自然环境温度和厂坝两侧地基不均匀沉降 ［1］ 的影响，可能造成墙壁和楼板等构件的开裂，因此，常常需要在厂坝连接的部位设置分缝 。但当水 轮发电机组充水运行时，压力钢管沿线必然是连续通过的，于是采取怎样的措施使连续通过的钢管 “过缝”是工程上必须考虑的问题。 以往应用的套筒式伸缩节可以解决压力钢管过缝时两侧变位不均匀的问题，同时改善钢管的受 力，但对伸缩节制造、加工以及安装检修的技术要求较高，并存在运行期漏水、检修困难等问题， 近年来取消套筒式伸缩节已成为钢管过缝结构型式的主要发展方向。取消伸缩节后，通常采用一段 外包软垫层的垫层管代替伸缩节，即在厂坝分缝上、下游一定范围内将压力钢管外包软垫层，该过 缝结构型式简称为垫层管或伸缩管。采用垫层管过缝时，通常会在厂坝分缝处的钢管段设置预留环 缝，以适应焊接前分缝两侧的不均匀变位，后期再选择适宜的时机进行预留环缝的焊接。由于垫层 管与蜗壳进口直接相连，因此预留环缝焊接时机的选择会影响到分缝下游侧蜗壳及机组支撑结构的 受力和变形。以往有关的研究侧重于选择合适的焊接环境温度，对焊接时上游水位的选择关注较 ［2-4］ 少，且研究成果中重点关心的是后期运行时垫层管段是否有足够的强度和刚度 ，文献［5-6］分别 从定量和定性的角度研究了环缝焊接时上游库水位的变化对垫层管应力和位移的影响，但对厂房结 构均做了相当大的简化，或研究成果对厂房的关心较少。 由于蜗壳是非轴对称的，内侧开口的蜗形结构，内水压力合力不为零，充水后会在进口段产生 一个较大的不平衡轴向水推力，同时相对于机组中心竖轴则形成一个较大的扭矩，导致蜗壳和座环 产生扭转变形，从而影响到机组的安全稳定运行。特别是对于高HD 值电站（H 为工作水头，D 为蜗壳 收稿日期：2013-04-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目；中国博士后科学基金资助项目（2013M542058） 作者简介：胡蕾（1989-），女，山东菏泽人，博士生，主要从事水电站压力管道和地下工程研究。E-mail：leih1209@ 通讯作者：石长征（1983-），女，湖北荆门人，博士后，主要从事水电站压力管道和地下工程研究。E-mail：scz4@163.com — 213 —