900MW循环水管不均匀沉降分析

900MW机组循环水管不均匀沉降问题分析 冯伟忠 （上海外高桥第二发电有限责任公司，上海 200137） 【摘要】介绍了上海外高桥第二发电厂2×900MW机组的大直径循环水管，在施工过程中出现的较大的不均匀沉降问题。对曲率半径最小的管段进行了弯曲变形和应力分析，对其产生的原因进行了研究，提供了处理意见的依据。指出了大直径循环水管的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、施工中应采取的必要措施。 【关键词】循环水管  不均匀沉降  应力分析 1、循环水管不均匀沉降情况 上海外高桥第二发电厂，建设2台900MW超临界汽轮发电机组，采用开式冷却方式。其循环冷却水取自长江，取水量31m3/s。循环水进水压力管道为Φ3600×24mm，采用碳钢卷板焊接而成。2001年2月，在过了春节，对正在施工中的150m一段顶部标高的复测后，发现不均匀沉降已远超设计值。如图： 0 m 150 m 图1 循环水管道不均匀沉降示意图 2、处理意见的分歧 图2 不均匀沉降循环水管段 根据设计 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，循环水管的敷设允许误差为轴线中心标高偏差值应小于±20mm，水平误差不超过0.1%。很显然，该段水管的标高已大大超差。但在春节前在该段敷设完成并进行部分填土后，对整个管段的管顶分12点进行过标高测量，符合设计要求。据初步分析，在2001年的春节前后的1月12日~2月16日，降雨日达15天。其基础砂垫层受到雨水的冲刷和浸泡，产生不均匀沉降造成。围绕着如何处理这一问题，设计、监理和施工单位等分歧很大。 首先，监理单位的意见很明确，标高偏差超过设计规定必须予以返工，除非设计方修改允许偏差值。而施工单位则认为，在以往的工程中，循环水管敷设标高超差包括不均匀沉降较为常见，一般不作特别处理，况且此次的测量数据 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，其不均匀沉降的过渡较为平坦，不必处理，况且对于150m×3.6m 这样的庞然大物，要重新调整其标高谈何容易。事实上，前阶段施工且已覆土的管段，经管底标高测量，其整体标高已比验收覆土前明显下降。可以断定，所有的循环水管，在覆土后，其整体标高都将比原先降低。已不可能再对其进行返工调整。而设计单位经研究后认为，国内尚无900MW级机组的设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，±1mm/m的允许误差为沿用600MW及以下机组的设计规范。要修改此标准尚无依据。如此一来，在对于如何处理这一问题上形成了一个僵局。 3、风险评估及管道的应力分析 从直观上看，就超差的数据与底部埋深达-7m，直径为3.6m的循环水管来说，似乎算不了什么。在现场目测该段尚未覆土的150m管段，根本就感觉不到不均匀沉降的存在。从以往的中小机组的施工经验来看，有时循环水管的不均匀沉降甚至用肉眼都能观察到，但覆土后都无大碍。从感觉上来讲，这次的不均匀沉降似乎还不明显。因此，施工单位的想法可以理解。但是，本次的不均匀沉降是否也能参照以往的经验不做处理，这必须对其可能的后果进行风险评估后才能决定。 先从定性的角度分析，由图1 可以看出，不均匀沉降最严重的向下弯曲段，管道承受着最大的弯曲应力，管道底部为拉应力，万一该处的应力超标而出现裂缝，外泄的循环水会逐渐掏空周围的填土，到一定程度后该处的管道会进一步下沉，从而造成更严重的局部不均匀沉降，其管道的弯曲应力会更大，这将加剧局部的裂缝扩展，而其更严重的漏水将导致进一步的恶性循环。该段钢管的一侧是混凝土循环水排水管，另一侧是主厂房。且不论大量漏水掏空填土可能造成的严重后果，仅为处理底部埋深达-7m的管道裂缝问题，就需停机并进行大开挖。其工作量之大、持续时间之长及影响面之广，所造成的经济损失之剧，对2×900MW电厂而言绝对是不能承受之重。 从上述的分析可见，此“万一”的情况是否出现的关键，是图1中的弯曲段的曲率半径最小处的应力水平是否安全。因此，必须进一步对该处的应力水平进行定量分析。 图3 循环水管弯曲变形分析图 从图1中可以看出，A管的第7、8、9点的曲率半径最小，故将此处作为研究的重点。设此处为纯圆弧形弯曲，则该处管段的弯曲模型为图3。图中A’A”C”C’为该管段，ABC三点连线的弧段为管道的轴线，设弧段Arc（A，B）=Arc（B，C），由弧段Arc（A，B，C）及直线 组成圆拱，其弦长为已知（测量点间隔）。取点7， 8（点A，B）的标高差及点8，9（点B，C）标高差的平均值为拱高h。根据图3，有： 即                          （1） 弧长  ；  式中：R—曲率半径；θ—曲率园心角； r—循环水管半径 该管段的管底受拉相对变形量： （2） 由材料力学知该管段的管底所受拉应力为： （3） 式中：E—材料的弹性模量 将已知数据代入式3，发现该处的管底所受拉应力已超过材料的许用应力，接近材料的弹性极限。显然，这是不能允许的，必须采取措施，将标高差降下来。 4、问题的进一步分析及处理 在分析计算结果告知施工单位后。他们的技术人员从另外的角度对这一问题作了论证。仅将AC管段看作为自由段，作简支梁处理，A，C点为支点，中间悬空。根据材料力学公式： （4） 式中:q—梁的均布载荷；I—梁的抗弯矩量；l—梁的长度 即可求得该段的弧垂Vmax。 用此方法计算的弧垂远小于测量值，如何来解释这一问题。首先必须指出的是对上述问题的分析采用式4实属勉强。正确的模型应为初始角非零的悬臂梁，但当l>>D（长度远大于直径）时两者结论差别不大。故仍可用作问题的定性分析。由式4可知，因弧垂与自由段长度呈4次方关系，故可反推此段长度。当将长度调到48m时（两侧各增加12m），实际弧垂便与式4计算值相同。可是，现实中较难设想会出现基础垫层长达48m的差异沉降，允许该段管道无约束的自由下垂。因此，还可能存在另一个变数，就是4式中的均布载荷q。而改变q的唯一可能就是在春节期间连续的下雨造成管内进水。 在现场，我们拍摄到了管内进水的明显痕迹（见图4）。由图2可以看到，该段管道的末端被一堵“土墙”固定且与后侧隔断。若有积水，两侧不通。整段管道的下侧已填土（沙），填土高度约1/3-1/2直径。当施工基坑区域进水后，井点排水系统启动时，管道的填土以下会出现一 定的抽吸负压。在没有专用水泵排水时，管内积水只能通过管道的端口处排出并渗入地下，由于管道端口外渗透面很小，排泄作用很缓慢。在此过程中，管系的受力除自重外，还有管内的水重及管下的抽吸负压。整个管系下沉及弯曲，应是几个力综合作用的结果。 图4 循环水管内积水痕迹照片 该段管道的分布载荷q，若单计管道空重，约为1T/m；而管内若半管积水，则水重即达5T/m；而抽吸平均负压只需10KPa，其分布力即达3.6T/m。后两项之和远大于管道空重。由式4可见，当系统内积水，且启动井点排水后，在相同的几何条件下，管道的弧垂Vmax可达未积水时的10倍。当然，管道所受的弯曲应力也将急剧上升。 从上述分析可以看出，该段管道的不均匀沉降是一个事实，这是由于多种原因所导致。而最小曲率半径处的弯曲应力已达材料的弹性极限，必须采取措施。与此同时，施工单位也请了上海某大学对此问题进行了校核计算，结果相同。而后，施工单位采用对这段管道填土（沙）进行分段斜夯的方法，冲实管道下方的垫层并产生向上挤压效应，调整管道的标高。并确保整个管段在最终覆土后不产生明显的不均匀沉降。 5、几点体会 5.1  应避免只用经验和想当然的方法去看待和处理问题 对于上述的问题，若用“小管道应允许较小的不均匀沉降，大管道可允许较大的不均匀沉降”这样的线性思维方式去处理，则大谬也。将式3 转为下式，式中应力σ改为许用应力[σ]： （5） 此式的解读即为：对于相同材质、相同长度、承受纯弯曲应力的管道，其允许弧垂h（不均匀沉降等），即管道的承受几何弯曲的能力与其直径成反比，管道越大，允许弯曲变形量越小。这与常规的想象恰恰相反。同时，这也能解释以往中小机组的循环水管，在有明显不均匀沉降，不加以处理却能安然无恙的现象。我国目前的设计规范一般只涵盖到600MW，应抓紧补充更大容量机组的相关设计规范。不能简单的用外推等方法套用现行标准。 5.2 需提高百万级机组循环水管基础的设计和施工标准 由式5可知，大直径循环水管道的抗弯能力远小于中、小直径的管道。一旦出事，其后果严重且处理的难度大。必须确保管道在各种情况下不出现局部过小的曲率半径。当然，若是管道出现整体下沉或存在一定的坡度，对该段管道自身的安全并不会构成威胁。因此，在设计和施工方面应采取切实措施以确保管道基础垫层的抗压强度和均匀性。如在软土基地区，可采用水泥搅泮桩及碎石层基础等。在施工中，应夯实垫层且确保一定的平整度。以保证在各种情况下，包括在管道被覆土以后都不出现过大的局部弯曲应力。尤其需防止的是在管道覆土前，其基础垫层与管道间存在局部空隙，一旦覆土后，管道出现过大的局部下沉（弯），从而危及该处管道的安全。 5.3 应防止出现施工过程中的管内外水位（压）差 大口径循环水管的施工工作量大，周期长。在未覆土前，当遇到较大的降雨等，较容易出现施工基坑内积水。若应对不当，极易发生大的问题。事实上，若出现管内积水不能及时排泄（如本案），由于受到基础垫层的约束，一般不会出现过大的向下弯曲变形，故其产生的后果尚能弥补。而若出现管外积水而管内空的情况，则可能导致管道永久性的破坏。 仍以本案为例，设管内为空，当管外积水时，将对管道产生向上的均匀浮力。而管道沿受力方向上的最大变形Vmax与无约束段管长l的4次方和均布载荷q的乘积成正比（参见式4）。对于本案，在向上方向上的约束仅在两端，即l为管道全长。将浮力方向无约束管道总长（150m）与本案向下弯曲的研究段（24m）相对照，l14(150m)/ l24(24m)=1526（倍）。既只需很小的浮力q就能产生破坏性的后果。 由此可见，在施工中，必须绝对避免出现管道承受浮力。而这种情况最易出现在循环水管道的末端，向上引至凝汽器的管段的施工过程中。在垂直段安装后，若较长的水平段尚未覆土，而末端已被封闭，一旦遇到较大的降雨，施工基坑内积水，该段管道将在浮力的作用下产生永久性的向上弯曲变形。事实上，这类事故在新建电厂的循环水管施工中出现概率较高。本工程也没能幸免。 要避免这种情况的出现，应在安装垂直段管道及末端封头前将大部分水平段管道覆土，尽量缩短裸露段。而管道末端封头应在最后安装。万一施工坑内积水，管内外水位相同，也能保证管道的安全。不过，即使管道末端封头最后安装，若裸露段管道较长，在突发的暴雨情况下，仍有可能出问题。这是因为在发生暴雨时，周围地表的积水会大量漫入施工基坑，坑内水位将迅速升高，而管内积水则全靠管道端口处流入，当已施工完的管道总长（包括已覆土管段）较长时，管内水位上升速率会远低于管外。在此过程中，会出现管内外明显的动态水位差。由前述分析可知，向上无约束自由段较长的循环水管的抗浮能力极弱，此动态水位差产生的浮力同样能摧毁该裸露管段。要杜绝此类问题的出现，除尽量缩短裸露段外，还可以采取裸露段管道全长的中间增加几个局部约束点，如局部覆土等方法，使向上无约束自由段的长度缩短，就能大大缓解管内外水位差造成的浮力威胁。