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三峡右岸电站机组蜗壳应力监测成果分析

《人民长江》2009年12月 2013-02-08 06:49:35

[导读] 摘要:三峡右岸电站机组蜗壳采用垫层、保压、直埋3种方式埋设。分析了3种不同埋设方式机组蜗壳实测应力在各种工况下的变化情况,并与仿真计算成果进行了比较分析。应力实测结果分析表明:采用垫层、保压和直埋3种埋设方式的机组,在156. 0和172. 7 m水位条件下运行时,蜗壳的应力均在安全值范围以内,说明机组蜗壳处于安全的运行状态。

 

中图分类号: TV698. 1 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 23 - 0078 - 03

三峡电站700MW水轮发电机组蜗壳平面最大宽度34. 38m、进口钢管直径达12. 4 m、进口断面设计内水压力达1. 395MPa (含水锤压力) , HD值达1 730 m2 ,是目前世界上混流式水轮机最大的蜗壳。同时,其蜗壳运行水头变幅达40 m,每年还有相当一部分时间是在防洪限制水位以下运行。而且由于厂房布置的原因,蜗壳外围浇筑的二期混凝土较薄,最薄之处不足2. 0 m,导致机组支承结构刚度较低。右岸电站机组蜗壳采用外敷弹性垫层的埋设方式(垫层范围从进口至8 - 8断面- 270°处) 、直埋方式(垫层范围从进口至4 - 4断面- 45°处)和充水保压3种埋设方式

为监测三峡电站不同埋设方式蜗壳在施工过程中及其运行期间的受力情况,并为以后类似的大型蜗壳埋设方式的选择提供科学依据,在三峡右岸电站选取了采用垫层、保压、直埋3种方式埋设的机组蜗壳进行监测。

1 监测仪器布置

1. 1 监测的主要机组

在三峡右岸电站,共对8台机组蜗壳进行了监测。本文主要是在采用垫层、保压和直埋3种不同埋设方式的机组中各选取一台机组,对其蜗壳应力进行监测,然后对实测应力进行分析和比较。而对蜗壳的钢板应力则采用钢板应力计进行观测。

1. 2 监测断面及测点位置

对于采用垫层和保压方式埋设的机组蜗壳,在其进口端及沿蜗壳顺水流方向,每45°设置一个监测断面,共有9个监测断面。对于采用直埋方式埋设的机组蜗壳,其监测断面布置在进口端、0°、45°、90°、180°、270°和315°处,共有7个监测断面(见图1) 。

对于采用垫层和保压方式埋设的机组,其蜗壳钢板应力计布置在蜗壳观测断面的底部、腰部( 0°) 、- 30°、45°和顶部及120°等几个部位。对于采用直埋方案的机组,其蜗壳钢板应力计布置在观测断面的腰部和120°处(见图2) 。在每个位置的环向上和水流向上各布置一支钢板应力计。

图1 蜗壳监测断面平面布置

2 蜗壳应力监测成果

2. 1 垫层埋设方式

25号机组蜗壳采用垫层方式埋设。在蜗壳埋设过程中实施的蜗壳底部灌浆、内支撑拆除,以及充水调试和发电运行前后,蜗壳应力均有变化,但以充水调试前后的应力变化最大。

2. 1. 1 蜗壳底部灌浆

在进行蜗壳底部灌浆的前后,腰部和底部环向大部分都产生了压应力增量,在水流向,则大部分都产生了拉应力增量, 应力增量范围为- 43~44MPa。底部灌浆对5 - 5、6 - 6断面腰部钢板应力计的影响较大,经分析,发现是由于底部灌浆导致蜗壳上抬变形所致(实测蜗壳底部最大上抬约13 mm) 。灌浆后,蜗壳应力范围在- 46~51 MPa。除25号机组蜗壳底部灌浆导致蜗壳上升较大,蜗壳应力变化较大以外,其他机组在改进底部灌浆方式以后,其蜗壳的上抬量小于3 mm,灌浆前后的蜗壳应力变化较小。

图2 蜗壳观测断面上测点位置示意

2. 1. 2 内支撑拆除

蜗壳外围混凝土浇筑完毕,拆除蜗壳的内支撑以后,多数测点均产生了压应力增量,应力增量范围为- 43~40 MPa。拉应力增量最大值发生在1 - 1断面底部环向和3 - 3断面120°部位,应力增量分别为40 MPa和23 MPa。压应力增量最大值为4 - 4断面120°环向和4 - 4断面底部环向,其应力增量分别为- 43MPa和- 36MPa。

2. 1. 3 充水调试

在进行充水调试前,蜗壳应力范围为- 44~78 MPa。进行充水调试以后(库水位156 m) ,蜗壳的钢板主要产生拉应力增量,且环向钢板应力比水流向钢板应力变化明显。从部位来看,蜗壳的腰部、45°及120°处的应力比底部、顶部的应力变化大。在进行调试运行前后的蜗壳应力增量范围为- 49~90MPa。

2. 1. 4 运行过程

投入运行以后,蜗壳的钢板应力变化主要与库水位和温度有关。2007年12月23日,当库水位为156 m时,蜗壳应力范围为- 29~127MPa; 2008年6月23日,当库水位为145 m时,蜗壳应力范围为- 44~120 MPa; 2008年10月11日,当库水位为156 m时,蜗壳应力范围为- 70~127MPa; 2008年11月11日,当库水位为172. 7 m 时,蜗壳应力范围为- 81 ~131MPa。

垫层埋设方式典型测点的蜗壳钢板应力计测得的应力过程线示于图3。

2. 2 保压埋设方式

24号机组蜗壳是采用保压方式埋设的。在实施蜗壳充水保压、底部灌浆、放水卸压、充水调试及发电运行前后,蜗壳应力均有变化,而且以充水保压、放水卸压、充水调试前后的应力变化最大。

2. 2. 1 蜗壳充水保压

实施充水保压以后,蜗壳的环向上产生了一个拉应力增量,增量范围为25~97 MPa,增量最大值是3 - 3断面的腰部;水流向的应力除120°处的4个测点产生了压应力增量外,其他部位的水流向均产生拉应力增量,但是比环向上的应力增量小,增量范围为- 12~38MPa, 3 - 3断面腰部的拉应力增量最大。进行保压以后,各测点的应力为- 14~97MPa, 6 - 6断面45°处的拉应力最大。

图3 25号机组蜗壳6 - 6断面顶部环向GS43应力过程线

2. 2. 2 蜗壳底部灌浆

在进行底部灌浆之前,蜗壳应力范围为- 14~97 MPa。进行底部灌浆之后,蜗壳应力增量范围为- 16~0MPa。灌浆以后蜗壳应力范围为- 14~95MPa。

2. 2. 3 蜗壳放水卸压

在卸压之前,蜗壳应力范围为- 42~94 MPa,而卸压之后,蜗壳应力增量为- 100~10MPa,主要为压应力增量,与充水保压过程刚好相反。其中蜗壳环向应力增量为- 100~ - 5MPa, 5 - 5断面45°处的环向压应力增量最大,水流向的应力增量为- 50~10 MPa,环向的应力较水流向的应力变化大。卸压之后,蜗壳各测点的应力范围为- 76~35MPa。

2. 2. 4 充水调试

在进行充水调试之前,蜗壳应力范围为- 38~79 MPa。随着充水压力的增大,蜗壳钢板一般会产生一个拉应力增量。在充水前后(库水位约为156 m) ,蜗壳应力增量范围为- 6~116MPa。其中环向的应力增量为4~116 MPa, 3 - 3断面的腰部环向应力增量最大。水流向的应力增量为- 6~71MPa,明显小于环向上的增量应力。调试工作完成之后,蜗壳应力范围为- 8~108MPa。

2. 2. 5 运行过程

2008年9月22日,在库水位为145 m的条件下,蜗壳应力范围为- 9~130MPa; 2008年10月11日,在库水位为156 m的条件下,蜗壳应力范围为- 12~133 MPa; 2008年11月11日,在库水位为172. 7 m的条件下,蜗壳应力范围为- 4~145MPa。保压埋设方式蜗壳典型测点的钢板应力计测得的应力过程线示于图4。

2. 3 直埋埋设方式

15号机组蜗壳是采用直埋方式埋设的。在实施底部灌浆、充水调试和运行期间,直埋方式机组的蜗壳应力均有变化。

2. 3. 1 蜗壳底部灌浆

在进行灌浆前后,蜗壳应力变化较小,应力变化范围为- 1. 70~10. 62MPa。变化最大的部位为4 - 4断面腰部的环向应力

2. 3. 2 充水调试

在进行充水之前,蜗壳应力范围为- 59~15MPa,充水之后(上游库水位为156 m) ,蜗壳应力范围为- 63~47 MPa,充水前后的蜗壳应力增量范围为- 59~53MPa, 3 - 3断面120°处的环向拉应力最大。

图4 24号机组蜗壳3 - 3断面腰部环向GS09应力过程线

2. 3. 3 运行过程

2008年11月11日,在库水位为172. 7 m的条件下,蜗壳应力范围为- 62~57 MPa, 3 - 3断面120°处的环向拉应力最大。直埋埋设方式蜗壳典型测点的蜗壳应力过程线示于图5。

图5 15号机组蜗壳3 - 3断面120°处环向GS03应力过程线

3 三种埋设方式机组实测蜗壳应力对比分析

在实施保压前后(仅保压方式有)和调试运行前后,蜗壳应力变化最大,且最大拉应力出现在保压过程或运行过程中。

3. 1 充水保压

蜗壳充水保压过程中,蜗壳一般会产生一个拉应力增量,且环向的应力增量比水流向的增量大,各机组在保压之后,蜗壳的最大应力约为80~103 MPa。在蜗壳充水保压的过程中,蜗壳应力是随内水压力的增大而增大,应力与内水压力呈线性关系。

蜗壳的混凝土浇筑完毕之后,蜗壳即开始放水卸压,在卸压前后,蜗壳一般会产生一个压应力增量。各机组在卸压之后,蜗壳应力为- 76~44MPa。

3. 2 调试运行前后

3种埋设方式的机组在进行调试运行前后,蜗壳一般会产生拉应力增量,水流向的部分测点会产生压应力增量。环向上的应力比水流向的应力变化要明显,蜗壳部位的应力比过渡板的应力变化明显,应力变化最大的部位一般在蜗壳腰部及以上部位。

实测各机组调试运行前后的最大应力增量约为132 MPa,调试之后,运行时的最大应力约为128 MPa (见表1) 。保压方式和垫层方式蜗壳应力变化、分布和应力水平没有明显的区别,直埋方式机组的蜗壳应力变化稍小。

表1 蜗壳调试运行前后应力

3. 3 运行期

运行期的蜗壳最大应力约为157 MPa,蜗壳应力均在弹性范围以内,蜗壳的环向拉应力随着库水位的上升会略有增大。从观测成果来看,温度的年变化对蜗壳应力略有影响,年温度变化造成的应力变化约在40 MPa以内。保压和垫层方式埋设的机组蜗壳应力没有明显区别,采用直埋方式的机组蜗壳应力相对较小(见表2) 。

表2 各机组运行期不同库水位时

3. 4 应力观测成果与计算成果对比分析

在不考虑温度影响的情况下,主要对156. 0、172. 7 m水位条件下水荷载引起的蜗壳钢板应力进行了对比分析。为便于与有限元结构计算成果进行比较,消除实测成果中的温度影响,对于156. 0 m水位条件下的观测成果,采用机组调试(充水)前后观测量的增量作为其实测值,对于172. 7 m水位条件下的观测成果,采用机组调试(充水)前后观测量(调试后为156 m水位)的增量, 2008年10~11月汛后水位上升过程中, 156 m与172. 7m水位间的观测量增量的累加值作为比较的观测成果。

实测应力结果表明, 3种不同埋设方式相应监测断面的应力与理论计算规律是一致的,数值比较接近。

4 结语

(1) 采用保压方式埋设的机组蜗壳在充水保压过程中,蜗壳一般会产生拉应力增量,但是环向上的应力增量比水流向的应力增量大,各机组保压后的蜗壳最大应力约为80~103 MPa。实施蜗壳充水保压的过程中,蜗壳应力是随内水压力的增大而增大,应力与内水压力呈线性关系。

(2) 各机组在调试运行前后,蜗壳一般会产生拉应力增量,环向的应力比水流向的应力变化明显,蜗壳部位比过渡板的变化明显,应力变化最大的部位在蜗壳腰部及以上部位。各机组在调试运行前后的最大应力增量约为132 MPa,运行时的最大应力约为157MPa。采用保压方式和垫层方式埋设的机组蜗壳应力变化、分布和应力水平没有明显的区别。有限元计算的蜗壳最大应力约200 MPa,而实测应力水平要比它小。采用直埋方式的15号机组的蜗壳应力相对较小。

(3) 从对蜗壳应力的观测资料来看,应力在检修后运行的重复性较好,表明蜗壳基本在弹性状态下运行。温度的年变化对蜗壳应力略有影响,其造成的应力变化约在40MPa以内。

(4) 3种埋设方式埋设的机组在156、172. 7 m水位运行时,其蜗壳应力的实测值与计算值的规律基本上是一致的,表明应力水平相当。

(5) 3种埋设方式埋设的机组蜗壳应力均在安全范围以内,机组蜗壳运行安全。

作者简介:彭绍才,男,长江水利委员会设计院枢纽处,工程师。

[整理编辑:中国测控网]
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