福建古田溪二级电站压力钢管碳纤维布补强加固方法

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.1压力钢管碳纤维补强加固设计图用于结构加固补强的碳纤维材料是以聚丙烯为原料经高温碳化而成。

6.1.2.1　概述

古田溪二级电站位于福建省古田县龙亭瀑布上游约1km处，水利枢纽由拦河大坝、岸坡式进水口、引水隧洞、调压井、高压管道、地面厂房和开关站等建筑物组成，电站总装机容量2×65MW，1969年3月30日第1台机组投产发电，1973年8月28日第2台机组发电，同年底工程基本竣工，电站主要担任调频、调峰、调相和电网备用任务。

电站高压管道长约274m，坡度1∶1.7，钢衬内径6.4m，混凝土厚60cm，局部管内补加钢板混凝土，内径渐缩为5.0m，岔管1号机、2号机支管长33.6m，其内径4.0m，压力钢管明管段（以下简称压力钢管）最大水头125.0m，最小水头105.0m，设计水头108.0m，甩负荷水压上升率56.54%。

2002年，电站金属结构作安全检测发现：

压力钢管明管有两个薄弱区，一个是紧靠混凝土的应力较大区，Mises应力达202.3MPa，大于允许应力166.3MPa；一个是钢管凑合节（1号机钢管凑合节部位有夹层钢板，2号机压力钢管凑合节管壁厚度腐蚀量达2～3mm）。

针对上述情况，经研究认为：鉴于压力钢管已使用了30多年的材质存在一定程度的老化，钢管锈蚀严重，存在明显的夹层，其应力超出设计规范规定，已不能满足现行规范要求。因此，为确保压力钢管安全运行，建议对该压力钢管进行加固补强，具体加固补强方案由武汉大学结构检测研究所提供。

6.1.2.2　设计施工

根据该工程的实际情况，局部换管、套管补强和碳纤维补强三种方案都可以选用。局部换管和套管补强加固方案采用的是传统技术，一般的电力工程公司都能够按设计图纸进行施工，它的缺点是焊接部位较多，会在管体上形成温度应力，由于紧靠上游镇墩处钢管不好焊接施工，要在第一加肋环与上游镇墩之间用外包钢筋混凝土补强，加固的施工工期相对较长，会影响正常的发电生产。

经比较研究，用碳纤维补强方案即利用碳纤维布与钢板组成的复合体抗拉强度高的性能来提高压力钢管的抗拉强度。具体做法是：将钢管表面处理清洗干净，整平糙化待粘贴部位，涂抹粘贴碳纤维型结构胶，然后再在其上粘贴一层厚0.162mm的碳纤维布，依此类推总共粘贴3层碳纤维，最后在第3层碳纤维表面涂抹浸渍树脂（见图6.1）。

图6.1　压力钢管碳纤维补强加固设计图

用于结构加固补强的碳纤维材料是以聚丙烯（PAN）为原料经高温碳化而成。碳纤维原丝纤维方向的抗拉强度可达到普通碳素钢的十几倍，高弹模碳纤维的弹性模量也可达到钢材的2～3倍，但应当注意，碳纤维的延伸率比钢材要小得多（折弯易产生脆断）。目前常用于加固结构的碳纤维产品主要有碳纤维布和碳纤维板，碳纤维布按碳纤维丝布置方向又可分为单轴向（0°或90°）、双轴向（0°/90°或±45°）、三轴向（0°/±45°或90°/±45°）和四轴向（0°/±45°/90°），可用于不同受力状态的构件补强加固，如受拉、弯曲、剪切和扭转等构件。当前，考虑外包碳纤维布与原钢管受力变形协调，两者弹性模量大小应相当，这里选用台湾重亿股份有限公司生产的L300—C型碳纤维布，其主要性能指标列于表6.1。

表6.1　L300—C型碳纤维布主要性能指标

设计选用粘贴L300—C型碳纤维布配套的胶为YZJ—C型结构胶，其性能见表6.2。

表6.2　YZJ—C型结构配套胶性能指标

施工按照5.1节“碳纤维片材补强加固混凝土结构的施工工艺”进行。

6.1.2.3　效果

加固后的压力钢管强度计算结果表明：

古田溪二级电站压力钢管段Mises应力得到显著降低，其最大Mises应力值从原来的202.3MPa降低为157.2MPa，最大值出现在明钢管软弱夹层部位，是由于软弱夹层边界应力集中引起的，它小于允许应力166.3MPa，钢管满足强度要求；加劲环Mises应力的最大Mises应力值也从原来的142.2MPa降低为106.1MPa，其应力值远小于钢材的允许应力。

福建古田溪二级电站压力钢管碳纤维布补强加固方法

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