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        毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測與評估研究

        2018-10-24 09:15:08再麗娜耿紅磊胡木生方超群
        東北水利水電 2018年10期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備檢測

        再麗娜,耿紅磊,胡木生,方超群,王 穎

        (1.水利部綜合事業(yè)局,北京100053;2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心,河南鄭州450044)

        1 概述

        毛家村水庫(云南省以禮河一級水電站)是世界第二,亞洲第一大土壩,位于云南省會澤縣城南9.5 km,金沙江右岸一級支流以禮河干流之上,水庫總庫容 5.53×108m3,有效庫容 4.72×108m3,是以禮河梯級電站調(diào)節(jié)流量的龍頭水庫。毛家村水庫放空底孔位于大壩右岸,屬放空水庫和水位在2 215.00 m高程以下時兼作電站旁通放水之用的建筑之一。洞內(nèi)順?biāo)鞣较蚯昂笱b設(shè)2扇同型號的平面滑動閘門,前者為事故閘門,后者為工作閘門,分別由同型號的2臺液壓啟閉機進行操作。毛家村水庫大壩放空底孔工程于1965年10月開始施工,1970年工程全部結(jié)束投入運行。[1]

        毛家村水庫大壩放空底孔閘門的主要功能是:放空水庫;溢洪道閘門安裝前,用于水庫泄洪;引水道關(guān)閉時,水庫水位又低于溢洪道底坎時,向下游供水??梢钥闯?,放空底孔閘門對水庫大壩安全運行仍具有重要意義。

        2015年第四輪水電站大壩安全定期檢查專家組提出,需對毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)進行全面的安全檢測與評價,綜合評估毛家村水庫大壩放空底孔閘門的安全可靠性,提出除險加固處理意見,確保閘門的安全運行,并形成專題報告。目前,毛家村水庫放空底孔閘門存在的主要問題有:

        1)建設(shè)時間較早,設(shè)計、制造及安裝均有一定局限性。

        2)建成后未進行過動水啟閉運行。因此,設(shè)備性能未進行過驗證,尤其高水頭平板閘門運行中的補氣、振動情況不確定。

        3)設(shè)備銹蝕、老化嚴(yán)重,存在安全隱患。

        4)設(shè)備檔案資料有缺失,難以對設(shè)備全面了解。

        2 檢測及評估過程及成果

        2.1 放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測

        針對毛家村水庫放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備存在的主要問題,采用先進的檢測技術(shù)手段,對金屬結(jié)構(gòu)暴露的薄弱部位以及關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵部位,如:底孔閘門的門體、進/出口段、前/后夾板及頂蓋、啟閉機及通氣管閥等金屬結(jié)構(gòu)進行檢測。檢測包含巡視檢查、閘門外觀形態(tài)檢測、啟閉機性能狀態(tài)檢測、腐蝕檢測、材料檢測、無損探傷檢測、啟閉機考核(帶閘門的考核試驗)和應(yīng)力檢測,以及利用水下機器人,摸清閘門門槽的狀況及門前淤積的情況[3]。上述檢測內(nèi)容,依據(jù)制定的檢測工作大綱有序開展檢測,現(xiàn)將此次檢測中采用先進檢測手段進行闡述。

        2.1.1 水下機器人探查

        由于閘門自擋水后一直沒有啟閉運行的見證材料,閘門前淤積情況及閘門的前部結(jié)構(gòu)狀況未知,故此次檢測中采用水下機器人進行事故閘門門前水下部位的探查。水下探查受現(xiàn)場條件的限制和廊道長度的制約,閘門所處位置水深約30 m,門前廊道長度約60 m。

        此次采用的SEAMOR公司生產(chǎn)的STEEL?HEAD ROV水下機器人。該型號的水下機器人具有便捷、輕便和操作系統(tǒng)穩(wěn)定等特點,且其耐壓深度為300 m,滿足此次水下探查的需求。STEELHEAD ROV采用標(biāo)準(zhǔn)的NTSC/PAL信號攝像頭,可以完成水下門槽及底檻的外觀檢測,并將視頻資料全部保存。這是遙控水下機器人首次應(yīng)用于長廊道后的鋼閘門設(shè)備檢測中,創(chuàng)新了檢測技術(shù)手段[4]。

        2.1.2 美國FLUKE紅外熱像儀

        由于放空底孔閘門服役超過50年,其啟閉設(shè)備老化嚴(yán)重,在此次設(shè)備檢測過程中采用FLUKE紅外熱像儀對壓啟閉機的電氣元件和液壓元件溫度進行實時監(jiān)測,及時發(fā)現(xiàn)運行過程中的異常狀況,確保液壓啟閉機運行安全。此次采用的FLUKE紅外熱像儀能夠進行非接觸式的、高分辨率的溫度成像,生成高質(zhì)量的圖像,可提供測量目標(biāo)的眾多信息,彌補了人類肉眼的不足,其圖像捕捉頻率為60 Hz,滿足實時監(jiān)測的要求。

        2.1.3 5060型數(shù)字式液壓PQT檢測儀

        由于放空底孔閘門服役超過50年,且自擋水后一直沒有啟閉運行的見證材料,因此此次液壓啟閉機考核過程中對液壓啟閉機的系統(tǒng)壓力和閘門前水壓力進行實時監(jiān)控。采用德國HYDRO?TECHDIK公司生產(chǎn)的5060式PQT測試儀,可以實現(xiàn)壓力等參數(shù)的數(shù)字顯示、時間曲線、XY曲線等實時或離線數(shù)據(jù)與曲線,壓力曲線圖見圖1。

        圖1 放空底孔檢修閘門液壓啟閉機考核有桿腔壓力變化圖

        2.2 放空底孔閘門安全復(fù)核計算

        閘門的安全復(fù)核計算路線為:在INVENTOR中建立閘門三維模型→將模型導(dǎo)入WORK?BENCH→在WORKBENCH中對閘門進行靜力學(xué)有限元分析→結(jié)果后處理→基于計算結(jié)果評價該閘門的安全,并依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)NB 35055-2015《水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》對閘門啟閉力進行復(fù)核計算。

        2.2.1 閘門計算模型

        在INVENTOR中建立了閘門三維模型,由于閘門采用厚鋼板制造,多數(shù)鋼板寬厚比小于10,故采用實體單元對閘門進行網(wǎng)格劃分,厚度方向劃分2~3層單元,選取六面體單元將閘門模型劃分為115 450個單元,656 162個節(jié)點。在WORK?BENCH環(huán)境下,模型總體坐標(biāo)系X軸正向為垂直水流向,Z軸正向為水流向,Y軸正向豎直向上,X軸、Y軸、Z軸符合笛卡爾坐標(biāo)系右手螺旋法則。不同部件之間進行綁定接觸設(shè)置,采用多點接觸算法。在WORKBENCH中進行前處理、計算和后處理。

        2.2.2 計算結(jié)果后處理

        對閘門腐蝕后的結(jié)構(gòu)強度與剛度安全復(fù)核計算,通過對工作閘門現(xiàn)場腐蝕檢測,綜合考慮了面板、導(dǎo)流板、下橫梁翼板等構(gòu)件的實測厚度平均值與蝕坑深度及蝕坑分布點的情況。圖2中(a)(b)(c)分別為閘門考慮腐蝕后在正常擋水工況下整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖、總變形云圖和最大剪應(yīng)力云圖。

        2.2.3 閘門啟閉力計算復(fù)核

        依據(jù)NB 35055-2015,閉門力計算公式為:

        式中:FW為閉門力;G為閘門自重;nt為摩擦阻力安全系數(shù);nG為閘門自重修正系數(shù);Pt為上托力;Tzd為銅止水摩阻力。

        計算求得閉門力Fw=1.331 1×106N。

        啟門力計算公式為:

        式中:Fq為啟門力;Ps為下吸力。

        計算求得啟門力Fq=7.894×105N。閘門閉門力為1.331 1×106N,啟門力為7.894×105N,所選的啟閉機為220 t/200 t,滿足要求。

        2.2.4 安全復(fù)核計算評價

        圖2 閘門整體結(jié)構(gòu)計算結(jié)果(考慮腐蝕后)

        基于以上有限元計算結(jié)果,并結(jié)合閘門設(shè)計時一般選取的應(yīng)力控制點,選出此次分析的計算結(jié)果提取點(見圖3),提取應(yīng)力、變形等作為強度、剛度評價的依據(jù)。另外,選取了結(jié)構(gòu)突變處的點、局部應(yīng)力峰值點和變形較大點等作為計算結(jié)果提取點。

        應(yīng)力提取點點處的等效應(yīng)力與變形量見表1。

        經(jīng)計算,考慮腐蝕后閘門結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力不超過70.3 MPa,強度滿足規(guī)范要求;閘門的變形不超過1.4 mm,滿足規(guī)范規(guī)定的最大撓度與計算跨度之比不大于1/750的要求;啟閉機容量為220 t/200 t(啟門力/閉門力),滿足閘門啟閉要求。

        3 檢測及評估結(jié)果

        毛家村水庫已服役50多年,針對國內(nèi)外尚無對此類水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的設(shè)備檢測及評估的先例,通過嚴(yán)密的組織、全面的檢測評估,得出放空底孔金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測及評估結(jié)果如下:

        圖3 提取點位置示意圖

        表1 關(guān)鍵點處應(yīng)力與變形量

        1)放空底孔事故門、工作門的布置合理、設(shè)備齊全;閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計可滿足現(xiàn)行規(guī)范的強度、剛度要求;所選啟閉機滿足閘門的啟閉要求。閘門的布置與設(shè)計可滿足工程功能要求。

        2)通過對放空底孔事故門、工作門的現(xiàn)場檢測及復(fù)核計算表明:主要設(shè)備基本完整,功能基本滿足運行要求。閘門及啟閉機可滿足繼續(xù)擋水的要求,基本可滿足緊急工況下的泄水要求。

        4 結(jié)論

        該項目采用多維度、全方位的檢測及評估技術(shù),創(chuàng)新了安全評估的技術(shù)手段,為大壩安全運行提供了依據(jù),為國內(nèi)同類工程提供了參考范例,為國內(nèi)在建工程提供了借鑒。該項目對放空底孔閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力、啟閉力、脈動壓力等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進行全面檢測,組建了一個立體安全檢測組織機構(gòu),具有多單位、聯(lián)動響應(yīng)、試驗高效、全預(yù)警體系的組織特點,圓滿完成了此處檢測評估工作。

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