王 佩 胡靖遠(yuǎn)

（1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南五凌哈電能效科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

0 前言

某電廠(chǎng)共安裝4臺(tái)255MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，2006年投產(chǎn)發(fā)電，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位476.21m，校核洪水位479.29m，正常蓄水位475.0m，相應(yīng)庫(kù)容37.48億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容26.16億m3，死水位425m。

電廠(chǎng)引水的布置均采用一機(jī)一洞的方式，引水壓力鋼管位于各條隧道尾部，引水壓力鋼管由壓力鋼管段和蝸殼段兩部分組成。壓力鋼管段（#1-#27節(jié)），金屬材料均為16MnR，1#-18#節(jié)板厚26mm，19#管節(jié)28mm，20#-27#節(jié)鋼板厚度為32mm。機(jī)組蝸殼（包括湊合節(jié)1#、#2，金屬材料16MnR；蝸殼#1-#26節(jié)，金屬材料均為610U），壓力鋼管與蝸殼段連接處分別為湊合節(jié)1和湊合節(jié)2，湊合節(jié)1、2厚度為30mm，蝸殼人孔門(mén)、蝸殼取水孔、蝸殼排水孔均布置在湊合節(jié)2。

電廠(chǎng)壓力鋼管湊活節(jié)設(shè)計(jì)厚度比兩邊的接觸段更薄，或許存在設(shè)計(jì)強(qiáng)度偏低的可能性[1-2]。且電廠(chǎng)至今已運(yùn)行10年，壓力鋼管經(jīng)多年運(yùn)行后，可能由于銹蝕和磨損導(dǎo)致其運(yùn)行安全可靠程度進(jìn)一步降低，因此有必要采取措施對(duì)壓力鋼管安全性進(jìn)行評(píng)估[3]。

1 壓力鋼管應(yīng)力測(cè)試

為評(píng)估壓力鋼管湊活節(jié)明管段設(shè)計(jì)強(qiáng)度是否滿(mǎn)足安全運(yùn)行要求，全面了解解壓力鋼管的運(yùn)行狀況，電廠(chǎng)利用檢修機(jī)會(huì)，采用電測(cè)法對(duì)壓力鋼管明管段進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。應(yīng)力檢測(cè)包括靜應(yīng)力檢測(cè)和動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)，其中靜應(yīng)力檢測(cè)荷載為作用于鋼管的靜水壓力，動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)荷載為機(jī)組棄負(fù)荷作用于鋼管的靜水壓力和水錘壓力[4]。

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

明管段測(cè)點(diǎn)的具體位置如圖1所示。靜應(yīng)力檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)分別布置在明管段靠上、下游墻體附近（A-A斷面、C-C斷面）以及明管段的中部位置（B-B斷面），共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均為三向測(cè)點(diǎn)。其中B-B斷面的3#、4#、5#測(cè)點(diǎn)3個(gè)三向測(cè)點(diǎn)同時(shí)為動(dòng)應(yīng)力檢測(cè)的測(cè)點(diǎn)。

圖1 壓力鋼管與蝸殼段示意圖

1.2 強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35056—2015），按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)原則，鋼管各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足公式（1）。

其中，鋼管各點(diǎn)的折算應(yīng)力σzh按第四強(qiáng)度理論計(jì)算，其計(jì)算式如公式（2）所示。

式中：σθ為環(huán)向正應(yīng)力；σx為軸向正應(yīng)力；γθκ為剪應(yīng)力。

鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR可以按公式（3）計(jì)算。

式中：γ0為環(huán)向結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取值為1.1；ψ為設(shè)計(jì)狀況系數(shù)，取值根據(jù)持久工況、短暫工況和偶然工況而不同。動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)機(jī)組為甩負(fù)荷工況，屬于短暫工況，因此ψ的取值為0.9；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，主廠(chǎng)房?jī)?nèi)的明管，γd宜增大10%~20%，因此整體膜應(yīng)力取值為1.76，局部應(yīng)力取值為1.21；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。電廠(chǎng)壓力鋼管的材料為16MnR鋼，鋼管明管段壁厚大于16mm，并不大于36mm，屬鋼材尺寸分組中的第2組，因此f為290MPa。

鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR的取值見(jiàn)表1。

表1 壓力鋼管的抗力限值

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)時(shí)，電廠(chǎng)水庫(kù)水位451.0m，鋼管水平段中心高程313.5m，下游尾水位321.0m，作用于鋼管的靜水頭130.0m。其中動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組甩20MW運(yùn)行負(fù)荷。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

表2 機(jī)組明管段鋼管靜應(yīng)力實(shí)測(cè)值（部分）

表3 機(jī)組明管段鋼管動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值（部分）

可見(jiàn)，在水庫(kù)水位451.0m下，靜應(yīng)力測(cè)試時(shí)5號(hào)測(cè)點(diǎn)最大折算應(yīng)力為165.0MPa，已接近明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的抗力限值。機(jī)組棄實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷20MW時(shí)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大折算應(yīng)力為159.1MPa，接近明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的抗力限值。5號(hào)測(cè)點(diǎn)的最大折算應(yīng)力為175.3MPa，超過(guò)明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的抗力限值（166.4MPa）5.3%。

2 仿真復(fù)核分析

為進(jìn)一步核算電廠(chǎng)壓力鋼管在最高水頭甩最大負(fù)荷的極端情況下的應(yīng)力情況，該文提出采用CFD仿真的方法進(jìn)行復(fù)核。

2.1 壓力鋼管建模

壓力鋼管是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系[5-6]。根據(jù)廠(chǎng)房明管段鋼管的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，將鋼管離散為板殼單元。為了更準(zhǔn)確地反映墻體對(duì)鋼管的約束，考慮上、下游兩側(cè)部分墻體與鋼管共同承擔(dān)水壓力荷載，并將共同承擔(dān)荷載的部分墻體離散為塊體單元，邊界條件與鋼管共同承擔(dān)水壓力荷載的兩側(cè)部分混凝土墻體的四周為固定約束。所建模型如圖2所示。

圖2 廠(chǎng)房鋼管明管段有限元計(jì)算模型

2.2 壓力鋼管仿真

該文分別計(jì)算了兩個(gè)工況下壓力鋼管的應(yīng)力情況，工況一模擬庫(kù)水位451.00m，尾水位321.00m，鋼管明管段中心高程為313.45m，作用于鋼管的靜水頭130.0m，與靜應(yīng)力試驗(yàn)工況相同，目的是對(duì)比仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差，評(píng)估仿真數(shù)據(jù)的真實(shí)性。工況二模擬壓力鋼管運(yùn)行的最高壓力狀態(tài)，即上游庫(kù)水位478.81m棄最大負(fù)荷，考慮最大水錘壓力，此時(shí)壓力鋼管處于最大作用水頭200m。

仿真結(jié)果如圖3所示。工況一，即實(shí)測(cè)水位下，鋼管明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力為159.6MPa，出現(xiàn)在明管段底部跨中附近區(qū)域；局部應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力為191.2MPa，出現(xiàn)在明管段與上游側(cè)混凝土樓板連接部位。在實(shí)測(cè)水位下，鋼管整體膜應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力接近抗力限值（166.4MPa），局部應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力小于抗力限值（217.9MPa）。

圖3 壓力鋼管應(yīng)力仿真結(jié)果

工況二，當(dāng)上游庫(kù)水位478.81m棄最大負(fù)荷時(shí)，鋼管明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力為218.2MPa，出現(xiàn)在明管段底部跨中附近區(qū)域；局部應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力為276.3MPa，出現(xiàn)在明管段與上游側(cè)混凝土樓板連接部位。鋼管明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力超過(guò)抗力限值（166.4MPa）31.1%，局部應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力超過(guò)抗力限值（242.1MPa）14.1%。

2.3 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

廠(chǎng)房明管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)是根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在鋼管主要部位的特征斷面布置測(cè)點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)只能了解明管測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力狀況，而明管的結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力只能通過(guò)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算才能得到。為了確保明管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)和明管結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算成果的準(zhǔn)確性，有必要將兩種方法所得到的結(jié)果進(jìn)行比較。

根據(jù)廠(chǎng)房明管段鋼管有限元計(jì)算所得到的應(yīng)力云圖，可計(jì)算出對(duì)應(yīng)于測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)力值，進(jìn)而對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)力和計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行比較和分析。

在實(shí)測(cè)水位下，廠(chǎng)房明管段鋼管各測(cè)點(diǎn)的折算應(yīng)力檢測(cè)成果與計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 鋼管各測(cè)點(diǎn)計(jì)算折算應(yīng)力與實(shí)測(cè)折算應(yīng)力的比較

由表4的數(shù)據(jù)可以看出，在實(shí)測(cè)水位下，鋼管測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力的最大相對(duì)差值為15.2%，最小相對(duì)差值為1.2%。8個(gè)測(cè)點(diǎn)中，有1個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力相對(duì)差值大于10%，有4個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)差值在5%~10%，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)差值小于5%。實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果表明，廠(chǎng)房明管段鋼管實(shí)測(cè)應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力差異相對(duì)較小，應(yīng)力檢測(cè)方法與有限元計(jì)算方法二者互為驗(yàn)證，表明檢測(cè)成果和有限元計(jì)算成果是可信的。

3 結(jié)語(yǔ)

該文針對(duì)某電廠(chǎng)壓力鋼管明管段疑似存在的設(shè)計(jì)缺陷，提出了一種應(yīng)力檢測(cè)試驗(yàn)和CFD仿真相結(jié)合的安全性評(píng)估方法，對(duì)壓力鋼管的應(yīng)力水平進(jìn)行核算。試驗(yàn)結(jié)果表明，電廠(chǎng)的壓力鋼管明管段在正常運(yùn)行狀態(tài)下，可以滿(mǎn)足安全運(yùn)行的需要，但在特殊的甩負(fù)荷工況下，可能存在安全隱患。其中在最大水頭甩最大負(fù)荷的極端條件下，鋼管明管段整體膜應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力超過(guò)抗力限值31.1%，局部應(yīng)力區(qū)的最大折算應(yīng)力超過(guò)抗力限值14.1%。其中常規(guī)水頭下的應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果二者互為驗(yàn)證，表明最大水頭甩最大負(fù)荷的極端條件下的有限元計(jì)算成果是可信的。因此，電廠(chǎng)下一步有必要采取有效的壓力鋼管明管段補(bǔ)強(qiáng)措施，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。