原作者:成都勘测设计研究院 杨怀德 出处:
【论文摘要】介绍了波纹补偿器在红叶二级水电站压力钢管上应用的一些特点，以及波纹补偿器的设计、制造和安装的过程。
1前言
红叶二级水电站是岷江支流杂谷脑河规划开发的第二级电站，电站为低闸引水方式开发，地面厂房，装机3台，设计装机容量90MW。首部枢纽由泄洪闸、冲沙闸、右岸挡水坝及进水口等建筑物组成。引水隧洞布置在杂谷脑河左岸，全长7 702.73m，为有压隧洞，设计引用流量73.29m3/s。调压井为开敞差动式，井筒呈圆形断面，内直径10.00m，井筒高75.30m，升管位于井筒中央，内径4.20m，高62.30m。压力管道为斜管埋藏式，采用联合供水方式，主管直径4.20m，支管直径2.00m，卜形岔管。主管下平段后半部、岔管段及支管段位于覆盖层上，采用沟埋管的型式。厂房置于河床沙卵石地基上，装有3台30MW水轮发电机组。
枢纽主体工程于2000年10月1日正式开工。2002年10月24日第一台机组投产发电。2002年12月底电站完建。
2压力管道区的地形地质情况
红叶二级水电站厂房布置于河谷左岸河床高漫滩上，地形平坦宽阔，后坡山体雄厚，谷坡整体稳定。从调压井至厂房相对高差约220m，地形陡峻相间，高程2121m以上地形坡度15°～30°，地表堆积5～10m的崩坡积块碎石土。中部谷坡陡峻，基岩裸露，坡度50°～80°；高程2018m以下为崩坡积块碎石层，坡度35°～40°，出露地层为三迭系上统侏倭组（T3Zh）变质砂岩与沙质板岩互层，岩层总体陡倾山内，无大断层通过。压力管道上平段和斜井段置于强卸荷带以下较完整的岩体中，多属Ⅲ～Ⅳ类围岩。下平段前半段穿过约35m宽的强卸荷带，受裂隙切割，岩体完整性差，属Ⅳ～Ⅴ类围岩。下平段后半段及岔管、支管段位于厂房后的河床漫滩上，覆盖层从上至下共分三层：第一层为现代河床上部冲积（alQ42）漂（块）卵石层，厚5～8m，结构较松散，局部架空；第二层为河流冲积（alQ41）砂卵（碎）砾石层，厚25～30m，总体结构较松散，局部架空；第三层为冰水堆积（fglQ3）的含砂土漂（块）卵（碎）石层，结构较紧密。压力管道围岩分类、覆盖层物理力学指标见表1、2。
3压力管道布置设计
压力管道采用一条主管通过两个岔管分为三条支管分别向厂房3台机组供水的布置方式。管道上平段、斜管段和下平段前半段埋设于岩石中，下平段后半段埋设于砂卵石中。主管直径4.20m，长334.15m，其中上平段长26.70m，斜管长148.44m，与水平夹角为53°，下平段长134.96m，支管内径由2.42m渐变至2.00m，与厂房内的蝶阀连接，最短支管22.85m，最长支管34.50m。由于厂房为地面式，厂房基础覆盖层深厚，压力管道下平段需跨越基岩和覆盖层的分界面，为适应覆盖层地基的不均匀沉降和温度变形，在主管跨越基岩与覆盖层分界处设主波纹管。厂房基础采用振冲碎石桩处理。压力管道岔管和支管段基础承载力能满足要求，不作处理，但考虑到支管和厂房之间可能的沉降差，在厂房上游墙的支管设支波纹管。
由于压力钢管外包混凝土后采用砂卵石回填至厂区地面高程，主管波纹节两端设置永久变形缝，波纹节外采用柔性材料包裹一定厚度，再外包混凝土，以保证波纹节能自由变位。而支管波纹节布置于副厂房下，设计采用设置检修井的方式。
压力管道波纹补偿器的布置见图1。
4波纹补偿器的结构特点
在水电站压力管道明钢管设计时，往往需设置伸缩节，以减小钢管的温度应力。传统的伸缩节多采用套筒式，套筒式伸缩节又分为单向套筒和双向套筒两种型式，后者除能适应温度变化时钢管的纵向移动和校正安装误差外，还能在一定程度上适应地基沉陷引起的钢管角变位。但套筒式伸缩节在实际运行中，受止水填料质量、安装质量等因素的影响，很少能保证不渗漏。近年来，已广泛应用于石油、化工、冶金、电力（火电）、建筑等行业的波纹伸缩节（补偿器），逐步在一些水电站上使用，如河北姚林口，云南老虎山，四川凤鸣桥、沙牌、姚河坝、铜钟，青海大干沟，贵州白水河以及三峡等工程，经实际运行证明是成功的。
与传统的伸缩节比较，波纹补偿器具有设计制造成熟可靠，能适应较强的三维变形能力，使用寿命长，不必维修，无渗漏，能提高管道的抗震能力，以及具有较大的变形超载能力等优点。
5波纹补偿器的设计、制造简介
红叶二级水电站压力钢管波纹补偿器由中国华电工程（集团）公司中标，承担波纹补偿器的设计、制作，由国家电力公司成都勘测设计研究院提供基本设计资料。基本设计资料主要有：
海拔高度：192320m；
气温条件：极端最高气温33.9℃，极端最低气温-11.0℃；
工作温度：0～20℃；
管内介质：水，水温0～20℃；
管内流速：5.29m/s（主管），7.78m/s（支管）；
含沙量：0.207kg/m3（年平均），0.343kg/m3（汛期）；
设计内压和位移补偿量：垂直向位移补偿量根据波纹管处的沉降差计算提出，水平向位移补偿量根据安装误差确定，轴向位移补偿量根据温度变化计算确定，角向位移补偿量根据钢管两端沉降差计算确定(见表3)；
使用寿命：50年；
上下游连接钢管材质及尺寸：主管16Mn，内径4 200mm，壁厚30mm；支管16MnR，内径2 000mm，壁厚22mm；
钢管放空时外水压力：按下游河道最高水位采用，为0.08MPa。
根据红叶二级水电站压力管道主要解决不均匀沉降问题，以及具有垂直位移量较大的特点，设计采用复式自由型波纹补偿器，结构示意图见图2。
波纹补偿器由上、下游端接管，中间接管和两个补偿波纹管串联组成，优点是：利用中间接管的转角使整个补偿器两端的横向和垂直位移化为每单个波纹管上的转角变化，使整个补偿器具有较好的几何适应性和较低的横向变形反力。波纹管采用加强的U型波薄壁多层结构，既有足够的强度，又具有较好的挠度、较低的变形反力和较高的疲劳寿命，采用液压一次成型的方法制造。为了确保压力管道的安全运行，补偿器设有带外保护的拉压限位装置，即采用了加强的外套筒限位式结构。由于支管波纹补偿器紧靠主厂房，为确保厂房运行安全，整个外套筒结构按可承受钢管的内水压力设计。波纹管内侧与导流筒之间的空隙内填有防止泥沙进入的微孔压缩弹性体。微孔弹性体为聚氨酯类材料，微孔为非封闭性的，且孔径之间的通道小于沙粒粒径，沙粒不能通过微孔进入弹性体，但水流可以进入微孔弹性体内，以平衡弹性体内外的压力，保证弹性体原有的体积和良好的弹性性能。
波纹管设计方法以《金属波纹管膨胀节通用技术条件》(GB/T 12777-1999)标准为准，对于超出该标准的部分，主要按《美国膨胀节制造商协会标准》(EJMA-2000)标准和《水电站压力钢管设计规范（试行）》(SD 144-85)进行设计计算。波纹补偿器设计计算的主要成果见表4。
波纹管管坯的纵缝焊接采用自动钨极氩弧焊，纵焊缝100%着色渗透探伤，焊后对纵缝进行酸洗钝化。端接管和中间接管的纵焊缝进行了不低于20%且不小于250mm长度的射线探伤。波纹管和端接管及中间接管的连接环焊缝采用氩弧焊，并进行100%着色渗透探伤。补偿器在出厂前进行了水压试验，试验表明，波纹补偿器能够承受1.25倍的设计内压。
在波纹管和外套管之间的空隙中，埋有压力传感器，通过导线接入中央控制室，可随时监测波纹补偿器的压力变化，确保压力管道和厂房的安全。
6波纹补偿器的运输、安装及使用
红叶二级波纹补偿器采用裸装，但每个波纹补偿器都配有单独的包装托架及相应的吊点结构。由于直径大，在运输过程中波纹补偿器基本呈卧式放置（轴线垂直向上），以降低中心，确保运输安全。运输采用水路、陆路相结合的方式，即从上海船运至乐山，再通过汽车运至工地。
红叶二级水电站压力钢管波纹补偿器于2002年2月安装完毕，安装时采用整体吊装就位，经监理工程师一次验收合格。自2003年2月电站3台机投入运行以来，监测结果显示波纹补偿器运行良好。
