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        抽水泵站金屬結(jié)構(gòu)運行安全與管理風(fēng)險研究

        2021-11-10 12:49:20張曉凌
        地下水 2021年5期
        關(guān)鍵詞:水錘金屬結(jié)構(gòu)揚程

        張曉凌

        (陜西省延安市志丹縣地下水監(jiān)督監(jiān)測管理站,陜西 延安 717500)

        塬面土地資源豐富,往往貧水干旱,河谷下切,土高水低,為解決水土資源平衡,興建水庫抽水站灌溉非常必要,多數(shù)大中型抽水泵站建成投運幾十年來,發(fā)揮了較好的經(jīng)濟和社會效益,但超過了設(shè)計使用年限,超期服役增加了運行安全風(fēng)險,嚴重影響了工程效益,開展工程現(xiàn)狀調(diào)查與運行安全評估、計算分析壓力鋼管等金屬結(jié)構(gòu)的強度,科學(xué)指導(dǎo)維修管護,確保工程運行安全,加強管理風(fēng)險防控。

        1 工程實例

        勝利水庫灌溉抽水泵站,澄城縣寺前鎮(zhèn)政府,副科級事業(yè)建制,企業(yè)化運營管理,現(xiàn)有編制8人,分一、二、三級管理站。泵站年均運行臺時3 000 h,總抽水量60.96萬 m3,年耗能55萬 kw·h。

        現(xiàn)場調(diào)查工程管理設(shè)施簡陋,管理手段落后,管理人員通過多年的運行摸索具有一定的管理經(jīng)驗。管理站制定有泵站運行、維護、檢修、安全等技術(shù)規(guī)程和規(guī)章制度,距離《泵站技術(shù)管理規(guī)程》(SL255-2000)的規(guī)定還有一定的差距。每年3月份春灌前進行一次大檢查活動,主要檢查渠道、各水工建筑物及各機泵電氣設(shè)施的完好狀況。各個管理站建立有簡單的運行記錄。

        各泵站存在主要問題:進、出水管銹蝕、穿孔,法蘭片變形,螺桿絲扣銹壞,時常發(fā)生爆管事件。閥體銹蝕嚴重,膠墊老化漏水,絲桿和閥板磨損,啟閉困難,啟閉過程有卡阻、振動現(xiàn)象、異響明顯,特別是逆止閥閥體早已水錘沖爛,失去作用,無法關(guān)閉影響抽真空,已影響正常運行。

        綜上所述,3座泵站的金屬結(jié)構(gòu)破損、漏水嚴重,安全狀態(tài)差,存在影響安全運行的重大缺陷或事故隱患,急待更新改造。

        2 金屬結(jié)構(gòu)復(fù)核計算分析與評價

        勝利水庫抽水站金屬結(jié)構(gòu)主要有各類閥門、壓力管道、攔污柵等。閥門等銹蝕更換,本次研究重點進行計算壓力鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、水錘和穩(wěn)定分析。

        2.1 計算公式

        2.1.1 結(jié)構(gòu)計算

        依據(jù)埋藏式圓形壓力鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和穩(wěn)定分析原理。在均勻地質(zhì)情況下,鋼管承受內(nèi)壓時,計算公式采用《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(GB50316-2000)中的公式。

        (1)

        tsd=ts+C

        (2)

        C=C1+C2

        (3)

        式中:ts為直管計算厚度,mm;P為設(shè)計壓力,MPa;D0為管子外徑,mm為在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa;Ej為焊接頭系數(shù);tsd為直管設(shè)計厚度,mm;C為厚度附加量之和,mm;C1為厚度減薄附加值,包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負偏差mm;C2為腐蝕或磨蝕附加量,mm;Y為系數(shù)。

        2.1.2 構(gòu)造要求

        計算公式采用《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265—2010)7.3.11公式。

        管壁最小厚度,除滿足結(jié)構(gòu)分析要求外,還需滿足構(gòu)造要求,一般不宜小于:

        (4)

        式中:δ為管壁厚度,mm;D為鋼管內(nèi)徑,mm。

        2.1.3 附加厚度

        按《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)6.1.6條及《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定,管壁厚度應(yīng)考慮管道壁厚負偏差的附加值和腐蝕裕度,其中負偏差附加值取1 mm,腐蝕裕度取2 mm。

        2.2 工況選擇

        勝利水庫3座抽水站鋼管均為地埋式,本次復(fù)核計算著重選取了泵后輸水干管壓力較高段鋼管作為復(fù)核對象。其中一級泵站揚程略小,按特殊組合中的水壓試驗工況對鋼管進行壁厚復(fù)核驗算。二、三級泵站揚程較大,按特殊組合中的校核運用Ⅰ工況工況對鋼管進行壁厚復(fù)核驗算。

        2.3 計算結(jié)果

        計算結(jié)果見表1。

        表1 壓力鋼管復(fù)核結(jié)果表

        2.4 水錘復(fù)核計算

        3座抽水站中二級泵站揚程最高,選取二級泵站進行水錘復(fù)核計算。計算的方法采用簡易計算法中的較常用的帕馬金水錘計算曲線法,假設(shè)泵后不設(shè)止回閥。所用到的計算公式如下所示:

        (5)

        式中:a為水錘波傳播速度,m/s;k為水彈性模量,2.06×109Pa;E為管材性模量,20.6×1010Pa;D為輸水干管公稱直徑,600 mm;δ為管倒壁厚,5.2 mm。

        (6)

        式中:2ρ為管道常數(shù),無因次數(shù),代表單位額定水頭下,該管系最大壓力增值; V0為水泵額定流量下管中流速,1.73 m/s;H0為水泵額定工況下的揚程,91.5 m;g為重力加速度,9.81 m/s2。

        (7)

        式中:K為水泵機組轉(zhuǎn)子的慣性系數(shù),s-1;n0為水泵額定轉(zhuǎn)速,300S-90型泵額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min;Q0為額定工況下水泵流量,0.488 m3/s;H0為額定工況下的水泵揚程,91.5 m;η0為額定工況下的水泵效率,77%;GD2為機組轉(zhuǎn)動部分的飛輪慣量,N·m2,可近似取電機的GD2(本項目取1 765.8),如計入泵時,在加大10%~20%。

        根據(jù)以上公式及現(xiàn)有基礎(chǔ)資料,可以計算得到相關(guān)參數(shù),并查帕馬金水錘計算曲線即可得到二級泵站的水錘復(fù)核計算結(jié)果見表2。

        表2 二級泵站水錘復(fù)核計算結(jié)果表

        2.5 計算結(jié)果評價

        由計算結(jié)果可知:(1)泵站不設(shè)止回閥時,最大停泵水錘壓力為正常工作壓力的1.3倍。這個壓力不會導(dǎo)致泵殼的破裂事故,但由于管道被不斷侵蝕,壁厚變薄,存在一定的運行風(fēng)險。

        (2)水泵最大反轉(zhuǎn)速度為正常轉(zhuǎn)讀的1.37倍,這是比較大的。泵后需要設(shè)置安全可靠的兩階段關(guān)閉閥門。

        (3)在突然斷電后,輸水管線的一部分處于負壓狀態(tài),為了防止在管道中出現(xiàn)水柱拉斷現(xiàn)象,應(yīng)采用補氣或補水措施,以消除負壓。

        3 結(jié)語

        泵站壓力鋼管原設(shè)計壁厚滿足規(guī)范要求,經(jīng)過幾十年運行,進、出水鋼管已銹蝕嚴重,氧化層呈片狀剝落,管壁變薄,部分有嚴重蝕坑。由計算結(jié)果可知,3座站鋼管現(xiàn)狀壁厚已小于計算壁厚,現(xiàn)狀不滿足規(guī)范要求。再考慮到整體強度降低,銹蝕及密封老化漏水,安全性差,符合《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范和要求,因此壓力鋼管評定為四類、閥門構(gòu)件等評定為四類設(shè)備,建議拆除重建?;诠芾砼c風(fēng)險防控,依據(jù)分析計算成果,壓力鋼管按原設(shè)計重建,改造后泵后支管設(shè)安全可靠的逆止閥、兩階段關(guān)閉的工作閥及檢修閥門,增設(shè)起重行車、拍門和攔污柵,方便運行檢修。

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