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1引言
    金属波纹管膨胀节的诞生和应用在我国已走过了半个多世纪的发展历程,在中国各主要工业行业中,水利水电行业是最迟引进及应用波纹管膨胀节的。
波纹管膨胀节(以下简称“膨胀节”)在水利水电行业,主要是用于补偿因温度变化、地质转移、地震影响等产业的压力钢管位移变化,确保输水管线的运行安全。由于水利水电行业的饮水压力钢管往往直径很大(Φ0.5m~12.4m)、内压很高(0.5mpa~12.0mpa),一旦爆裂极可能产生人员和财产的重大损失,造成灾害性影响,故对于是否应用膨胀节、如何正确设置膨胀节等问题,一直存在着争议 探索,甚至是反复。
随着中国水利水电建设事业的发展,目前膨胀节已被越来越多的用户所肯定,并得到应用和推广,本文将就大家所关心的一些问题作简要介绍。
2水利水电膨胀节的应用场合及特点
    在水利水电行业的饮水压力钢管上,传统的位移补偿设备是“套筒伸缩节”(一种由内外套管、填料水封和压圈等结构组成的钢管位移补偿器)。套筒伸缩节的主要优点是轴向补偿量大、可维修;缺点是不能进行径向补偿,且易渗漏,需经常进行检修、维护,若渗漏严重甚至要停机更换填料。
    膨胀节的主要优点是可以进行三向位移补偿(轴向、径向、角向),且膨胀节在使用寿命年限内是无渗漏、免维护的,因此膨胀节已在越来越多的项目中取代套筒伸缩节,成为水利水电工程压力钢管位移补偿设备的主要选择。
2.1膨胀节应用场合的主要类型
    在水利水电工程项目中,膨胀节主要用途是补偿因温度或地质变化引起的饮水压力钢管位移,其中主要的应用场合在水电站。水电站根据集中水头方式的不同分为:坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站。目前膨胀节应用于水利工程的项目并不多,但已用于水利工程的一般都是较大的或较重要的项目。
(1)坝式水电站(又分坝后式、河床式等)
    坝式水电站是依靠在河道上拦河筑坝抬高水位,形成发电水头的的水电站。这类水电站一般修建在河道坡降较缓且流量较大的河段上,主要结构特点是拦河坝和水电厂房均集中布置在很短的同一河段中,其中坝后式电站的厂房建在大坝之后。
 在坝后式水电站中,膨胀节(通常也被称作“伸缩节”一般布置在厂坝之间的分缝处,位于坝后压力钢管下游临近蜗壳的下平段上,用以补偿顺水流向和地质沉降引起的压力钢管位移变化。
 坝后式水电站的特点是压力钢管的直径一般都比较大,但水头受坝高限制内压一般在2.0mpa一下。
    用于大型坝后式水电站的膨胀节在安装完成后,一般再进行更换的条件和可能,故这类电站在膨胀节选型、设计、制造、安装的每一环节上都要慎之又慎。
    膨胀节已经应用在坝后式水电站的典型项目有(含在建):长江三峡水电站(Φ12.4m)、金沙江向家坝水电站(Φ12.2m)、贵州清水江白市水电站(Φ9.0m)、四川嘉陵江亭子口水电站(Φ8.7m)、云南李仙江戈兰滩水电站(Φ7.5m)缅甸YEYWA水电站(Φ6.8m)、西藏雅鲁藏布江藏木水电站(Φ6.1m)等。
(2)引水式和混合式水电站
     引水式水电站是用引水道(如:明渠、隧洞、压力钢管等)集中河流河量和水头用以发电的水电站。引水式水电站多建在坡度教陡、落差较大的河流上,其主要结构特点是上游取水口和下游厂房相距较远,中间饮水道往往要经过不同的地质层面。
    混合式水电站是由坝和引水道两种建筑物共同形成发电水头的水电站。这类水电站通常兼有坝式和引水式水电站的优点及工程特点。
     用于引水式或混合式水电站压力钢管中的膨胀节,主要用于补偿压力钢管因温度和地质变化引起的位移。其特点主要有:
1.下游钢管内压一般都较高(甚至可达12.0mpa以上)。
2.当用于隧洞埋管中时,一般径向位移较大(±50~1000mm及以上),但运行的循环次数极少。
3.当用于露天明管段时,主要为轴向位移,但循环位移比较频繁。
用于饮水隧洞压力钢管中的膨胀节,安装完成后一般亦再无进行更换的条件和可能,故对这类膨胀节的应用也要慎之又慎。
    膨胀节已经应用在引水式或混合式水电站的典型项目有(含在建):四川南桠河姚河坝水电站(Φ4.0m,2.5mpa)、马来西亚kota水电站(Φ2.1m,2.5mpa)、甘肃黑河西流水水电站(Φ5.4m,2.5mpa)四川宏坝河洪坝水电站(Φ2.6m,5.3mpa)、四川金汤河金康水电站(Φ2.1m,6.2mpa )西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站(Φ2.3m,6.5mpa)、伊朗RUDBAR水电站(Φ4.4m,5.8mpa)等。
(3)长距离引水管线穿越地震活断层
    这是一个比较独特的水利水电引水管线中膨胀节的应用场合。目前在这类场合已应用膨胀节的典型项目有(含在建):
①云南掌鸠河饮水供水工程。管线在厂口隧洞段穿越普渡河断裂段(活断层),该隧洞断裂管线长450m,布置10套复式膨胀节,该膨胀节内径Φ2.0m、内压0.5mpa,轴向和径向位移均为±100mm
②云南洗马河塞珠水电站。饮水压力钢管穿越普渡河断裂层带(活断层),穿越段管线长354m、布置14套复式膨胀节,膨胀节内径Φ2.7m,内压1.3mpa,轴向和径向位移均为±150mm.
③云南牛栏江-滇池补水工程。小龙潭倒虹吸和新春邑倒虹吸分别经过小江断裂带(活断层),其中小龙潭倒虹吸段长287m,新春邑倒虹吸段长924m,共复制25套复式膨胀节,膨胀节均为内径Φ3.4m 气压0.5mpa 轴向径向位移±100mm.
2.2水利水电膨胀节的特点和要求
 根据水利水电建设的环境特点和运行要求,用于压力钢管的膨胀节除了需遵循现行标准和规范的规定外,一般还需满足下列要求:
1)水利水电工程压力钢管的设计寿命通常为为50年。由于水利水电工程环境的特殊性,膨胀节一旦安装完成,要进行维修或更换往往非常困难(一般仅理论上的可能),故对膨胀节的安全可靠性有很高要求,并且在规定的使用年限内,膨胀节除了内外表面的防腐外,其他部位均应是免维修的。
2)由于膨胀节的刚度较低,在整条压力钢管管线中,膨胀节往往是一个最薄弱环节,但膨胀节不应成为引发管线异常的诱因,而且当管线运行异常时膨胀节仍应能保持自身和管线的安全。具体要求有:
①大口径波纹管的流固耦合频率较低,当流体有冲击、脉动、紊流时,膨胀节较容易产生共振,故对于大口径膨胀节(尤其是复式膨胀节)应该有可靠地防震和减震装置。
②复式膨胀节的临界柱失稳压力一般不高,因此当复式膨胀节应用于明钢管管道时膨胀节上应带有可靠的轴向和径向限位装置。
③当管线发生系统短时超压时(如水锤、系统误操作等),膨胀节应保持不会发生爆裂,故在膨胀节设计、制造和检验各环节上都要有相应的保证措施。
3)水利水电压力钢管中的水流或多或少都会带有一定的泥沙,为防止泥沙在膨胀节波纹剪沉淀、硬结,最终导致膨胀节失败,要求用于水利水电压力钢管中的膨胀节必须带有防沙阻沙设置。
4)由于受运输条件的限制,直径>Φ5.0m的膨胀节在工厂整体制造完成后大多无法直接运到现场,而是需要采取在工厂进行分体、再到现场组装和水压试验的工艺方法。为保证现场组装试验的膨胀节具有和工厂整体制造的膨胀节具有同样的性能和质量保证,要求膨胀节设计、制造和检验各环节上都要有相应的保证措施。
5)水利水电工程中的压力钢管直径一般都比较大,钢管内侧或外侧都有可能成为人员、设备来往的通道或临时施工作业面。虽然在膨胀节的说明文件中要求不的损坏膨胀节内外表面,但在膨胀节结构设计中还是应该考虑适当加强导流筒和外保护罩的厚度和强度,以免出现因安装施工不慎而引起的膨胀节损坏。
    由于水利水电项目的特殊性和重要性,在应用膨胀节的过程中,前期应充分了解应用场合的具体情况、编制适合的应用方案,中期应注重设计、制造、试验等各个环节,确保产品质量,后期应配合现场安装进行交底、指导,并在项目竣工后对膨胀节的运行情况进行长期跟踪。每个项目完成后还应及时进行总结,有所改进,有所提高。
3水利水电膨胀节应用情况简介
3.1膨胀节在水利水电行业的应用历程
     膨胀节在水利水电行业的应用始于上世纪90年代后中后期,第一个应用项目是河北桃林口水电站(Φ3.0m,内压1.0mpa),膨胀节为复式,用于解决电站厂、坝之间的地质沉降问题,该电厂于1998年竣工投运。
    2001年投产发电的四川姚河坝水电站在早期的膨胀节应用项目中是一个较典型的例子。该电站为引水式发电,压力钢管内径Φ4.0m内压2.5mpa,膨胀节为复式,用于补偿饮水隧洞地质断层的滑移。
 在水利水电行业,真正具有里程碑意义的膨胀节应用项目,是长江三峡水利枢纽工程。三峡电站共安装了17套复式膨胀节(左岸电站8套、右岸电站9套),项目前期曾就是否采用膨胀节进行了反复论证(1998年~2000年),在项目执行过程中(左岸电站为2001年~2002年)三峡公司的领导和行业内高层专家都给予了极大的关注,三峡工程波纹管膨胀节的应用成功在水利水电行业为膨胀节的推广起到了一个巨大的示范和宣传作用。
    此后,随着水电建设高潮迭起,膨胀节的应用项目也在不断增加。时至今日,虽然波纹管膨胀节还未完全取代传统的套筒,但其无渗漏、免维修的优点却是不争的事实,因此也为越来越多的用户所采用。
     经过十多年的推广和应用实践,目前水利水电行业的业主、设计、安装等单位对膨胀节的认知和了解越来越深,具体应用在工程项目上膨胀节的性能和结构也更趋完善。
3.2水利水电膨胀节应用情况统计
    根据不完全统计,从1993年(河北姚林口水电站)至今,水利水电行业在饮水压力钢管(Φ≧0.5m)上应用膨胀节的项目约为300个(含国外项目)。其中直径最大的为Φ12.4m(长江三峡水电站),内压最高的为12.25mpa(云南新平县洋发成水电站),综合参数D×H值(钢管内径×设计水头)最大的为2000m·m(伊朗鲁德巴水电站),一次应用膨胀节最多的为133套(云南掌鸠河饮水供水工程),投运时间最早的为1997年(河北姚林口水电站)。
 

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