清遠水泵水輪機蝸殼水壓試驗和保壓澆筑技術特點

周忠浩，熊建平（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

清遠水泵水輪機蝸殼水壓試驗和保壓澆筑技術特點

周忠浩，熊建平
（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

摘要：介紹了廣東清遠抽水蓄能電站水泵水輪機蝸殼水壓試驗及保壓澆筑技術特點，包括工裝設計、水壓試驗和保壓澆筑流程及方法，并對試驗結果及有關問題作了闡述。

關鍵詞：水泵水輪機；水壓試驗；保壓澆筑

1　前言

水泵水輪機運行水頭和轉速往往都較高、工況轉換頻繁，為適應水泵水輪機運行特點，保證機組運行穩定性，蝸殼通常需要進行水壓試驗并采用保壓澆筑。

蝸殼水壓試驗在座環和蝸殼安裝、焊接及探傷檢查完畢后進行，目的是驗證蝸殼整體結構強度和焊縫質量，同時也有消除焊接內應力的作用。

蝸殼保壓澆筑是指蝸殼內充水并保持在某一水壓下澆筑蝸殼外圍混凝土，待蝸殼上層混凝土達到一定強度后方可卸壓、拆除水壓試驗及保壓澆筑設備。由于蝸殼保壓澆筑具有眾多優點，在抽水蓄能電站機組中的應用已越來越普遍。

本文對廣東清遠抽水蓄能電站水泵水輪機蝸殼水壓試驗及保壓澆筑工裝結構設計、水壓試驗和保壓澆筑程序作了介紹，對現場試驗和澆筑的一些問題作了分析討論。

2　蝸殼水壓試驗和保壓澆筑工裝結構設計

2.1主要參數

水泵水輪機額定水頭:470m；

水泵水輪機最大揚程:509m；

蝸殼設計壓力:7.64MPa；

蝸殼水壓試驗壓力:11.47MPa；

蝸殼保壓澆筑壓力:3.8MPa；

封堵筒環直徑:φ6 000mm；

封堵筒環高度:548.5mm。

2.2主要結構

蝸殼、座環、頂蓋底環和封堵筒環結構如圖1和圖2所示。

圖1　蝸殼外形結構簡圖

圖2　蝸殼水壓試驗和保壓澆筑裝置結構簡圖

2.3封堵筒環

根據機組結構特點，封堵筒環主要可考慮以下兩種結構方案。

（1）封堵筒環裝在頂蓋和底環之間

封堵筒環裝在頂蓋和底環之間，結構方案如圖3所示，該方案的優點是封堵筒環高度方向尺寸小，結構重量輕，不需要另外制作頂蓋與座環連接用的試驗專用螺栓，制作成本低。缺點是頂蓋分瓣面上需要增加一道密封，密封條相交處容易漏水。

圖3　封堵筒環結構（方案一）

（2）封堵筒環裝在座環和底環之間

封堵筒環裝在座環和底環之間結構方案如圖4所示。封堵筒環上部直接與座環配合形成一道端面密封，頂蓋吊放在封堵筒環上面，并通過螺栓將頂蓋與座環連接固定，用于平衡封堵筒環內向上的水壓力，并壓緊封堵筒環和座環及底環間的密封條。

此方案最大優點是密封可靠，頂蓋分瓣面不需要為水壓試驗額外增加一道密封。同時增大了灌漿（或排氣）管路安裝空間，方便管路安裝。

圖4　封堵筒環結構（方案二）

經綜合比較，最終確定采用方案二進行結構設計。

2.4灌漿排氣管路

對于需要通過蝸殼內部灌漿（或排氣）管路，一般采用現場配管焊接的方法。

清遠機組蝸殼內空間較小，現場配管施焊困難。初步方案為采用高壓軟管連接方式(如圖5所示),采用此方案對蝸殼座環灌漿孔和排氣孔加工位置度要求較低，現場安裝也較為便利。

圖5　灌漿（或排氣）管路采用軟管結構方案

但高壓軟管難以承受保壓澆筑時的外部水壓,最終確定采用硬管方案，其結構如圖6所示。由于一套工具需用于多臺機組，廠內不作整體預裝，硬管采用徑向可調連接，連接孔在高度和圓周方向需保證尺寸精度。現場安裝結果表明，此方案安裝較為方便，是可行的。

圖6　灌漿（或排氣）管路采用硬管結構方案

3　水壓試驗

蝸殼水壓試驗是先通過悶蓋上的注水孔向蝸殼內充水，再用增壓泵分階段打壓至11.47MPa并保持30min，最后再分階段泄壓。

蝸殼水壓試驗包括悶蓋和封堵筒環安裝，進人門及測壓孔等封堵、水壓試驗管路系統安裝，蝸殼充水，升壓試驗，蝸殼排水、悶蓋和封堵筒環拆除等工作。

3.1蝸殼水壓試驗前準備

（1）蝸殼內支撐解除、內部清掃并點檢

因蝸殼采用高強度鋼板，拆除支撐時需使用打磨機慎重地除去。氣刨，氣割會對母材造成意想不到的嚴重影響，所以嚴禁使用。

拆除支撐后，周圍用打磨機加工平滑，進行浸透探傷檢查（PT）確認無異常，深傷范圍為焊接部至外側50mm。

（2）安裝蝸殼進口法蘭悶蓋

在密封槽安裝O型密封條時，為了防止密封條脫落，在密封槽涂抹硅系列液體狀填料或者合成橡膠系的粘合劑固定O型密封條。

（3）安裝水壓試驗管路系統

上述工作完成后安裝水壓試驗管路。

（4）關閉蝸殼進人門

必須在多人檢查確認蝸殼內部沒有作業人員之后再進行。

3.2水壓試驗原理

蝸殼水壓試驗原理如圖7所示。

圖7　水壓試驗原理圖

3.3水壓試驗壓力曲線

水壓試驗按水壓試驗壓力曲線要求進行升壓、保壓和卸壓。（如圖8所示）

圖8　水壓試驗壓力曲線

在整個水壓試驗過程中，升壓和降壓速度不大于0.15MPa/min。

水壓試驗完成后，需要排空蝸殼、座環內部的試驗用水，打開蝸殼進人門，對內部進行通風和干燥處理。對座環和頂蓋進行必要的防護處理，法蘭面和螺紋孔等機加工面涂防銹油，防止生銹。

4　保壓澆筑

4.1保壓澆筑基本參數

保壓壓力：50%的設計水壓（3.8MPa）；

保壓時間：至混凝土達到設計強度50%；

澆筑速度：小于300mm/h；

灌漿壓力：0.2～0.3MPa。

4.2保壓澆筑的作用

蝸殼保壓澆筑主要有以下一些作用：

（1）蝸殼與外包混凝土之間的荷載分配比例可以根據需要選擇，而且荷載分配明確可靠，可以保證水泵水輪機運行時混凝土承受一定比例的較小載荷，適當減小蝸殼外鋼筋鋪設量。

（2）利用外包混凝土聯合承載有利于保證蝸殼的整體剛度和抗振性能，減小蝸殼及座環變形，有利于機組穩定運行。

（3）澆筑時蝸殼內不需要內部支撐，可減小內部加設澆筑支撐的成本。

（4）蝸殼內充水重力可抵消澆筑混凝土時蝸殼部分上浮力，蝸殼拉錨布置數量可適當減少。

4.3保壓澆筑程序

4.3.1澆筑混凝土前的檢查

（1）檢查安裝記錄有無異常數據、有無漏記錄項目。

（2）檢查尾水錐管周邊、底環周邊、蝸殼周邊。

（3）檢查螺栓的緊固狀態。

（4）檢查調整螺栓、松緊螺旋扣、楔子板的止動狀態。

（5）檢查埋管路線、管路焊縫狀態、支撐的安裝狀態、盲法蘭的安裝狀態等。

（6）測量底環抗磨板面的水平度，并記錄。

4.3.2混凝土澆筑準備

澆筑前在蝸殼外部按不同受力部位布置加固鋼筋。外側加固鋼筋可一次性安裝完成，也可根據需要進行安裝。

安裝灌漿和排氣用的管路。

蝸殼上部要架設水平梁和水平儀監測澆筑時的傾斜、位移變化情況。

4.3.3混凝土澆筑

澆筑混凝土時要防止蝸殼座環傾斜，不能對固定金屬零部件類及埋管等施加有害外力（澆筑混凝土時的沖擊、振搗器的振動等）。

在澆筑過程中蝸殼內充水壓力始終要保持3.7～3.9MPa之間，保壓澆筑混凝土時間較長，要求專人記錄壓力變化情況，壓力降至偏差范圍時需及時啟動泵增壓；若混凝土固化時產生的熱量使蝸殼內部水壓上升至偏差范圍時，應及時泄壓至規定值。升壓降壓的速度在0.15MPa/min以內。

對蝸殼內加壓時，要配置壓力監管員，記錄并監測蝸殼內壓力的變化及水溫的變化。

為防止座環變形等情況發生，混凝土澆筑上升速度應為200～300 mm/h，每層澆筑高度一般為0.8～1.0m，澆筑應對稱、分層、分塊進行。液態混凝土的高度一般控制在0.3m左右。兩層混凝土的澆筑時間間隔需保證上層混凝土的靜水壓力不會傳遞給蝸殼。

澆筑混凝土時在底環抗磨板面上放置角式水平儀，測量并監測水平度有否變化。在蝸殼的進口封頭處布置百分表監視蝸殼的位移。按實際情況調整混凝土澆筑順序及澆筑速度。

4.3.4底環、蝸殼周邊灌漿作業

澆筑混凝土后，應放置一段時間使其硬化，之后再實施灌漿作業。由于可能會發生突然升壓等意外事故，應時常監測澆筑壓力。另外，還要測量并記錄底環水平度。

灌漿作業完成后，要確保硬化保養時間。

4.3.5拆卸蝸殼保壓澆筑工裝

混凝土澆筑工作結束后，蝸殼內水壓需保持20～25 d，待蝸殼上層混凝土達到一定強度后方可卸壓拆除水壓試驗設備。

5　水壓試驗情況

清遠1號機蝸殼現場水壓試驗于2013年2月5日進行，試驗從下午14∶40開始至晚20∶40順利完成。雖然總體上比較順利，也有一些今后需要注意的地方。

5.1灌漿孔絲堵漏水原因及解決方案

在水壓試驗過程中，發現灌漿孔絲堵有多處出現滴水現象，但漏水沒有隨著壓力升高而增多，分析原因，是由于絲堵為直螺紋絲堵，密封不良。作為對策，絲堵外加焊一塊封板，并作焊縫PT探傷檢查，保證不漏水。

5.2試壓泵容量問題

清遠1號機蝸殼現場水壓試驗升壓花費約5.5h，時間偏長。

設計選用一臺功率為3 kW、壓力16MPa，流量150 L/h的四缸柱塞試壓泵，容量偏小。而市場上壓力等級16MPa的試壓泵規格有限，流量再大一點的試壓泵流量都在1000 L/h以上，不適用。

為了加快升壓速度，縮短試驗時間，采用增加一臺同型號試壓泵方法，在耐壓試驗時二臺泵并聯共同打壓，而在保壓澆筑時只用其中一臺即可。

二臺泵共同打壓需要的升壓時間約2.5 h，從升壓時間上看較為理想。

6　結語

清遠抽水蓄能電站水泵水輪機蝸殼水壓試驗最大壓力值為11.47MPa，蝸殼澆筑保壓壓力值為3.8MPa。進行如此高壓力的蝸殼水壓試驗和保壓澆筑，對設計、制造和安裝都是一個嚴峻的考驗。

清遠蝸殼水壓試驗和保壓澆筑的順利完成，進一步驗證并完善了東芝水電水泵水輪機水壓試驗技術，對今后類似機組的設計制作具有參考借鑒作用。

參考文獻：

[1]何少潤.高水頭水輪機蝸殼水壓試驗論述[J].水電站機電技術，2000（1）.

[2]張勝平，劉加華，孟志杰，等.高水頭蝸殼水壓試驗技術研究[C].抽水蓄能電站工程建設文集，2007.

中圖分類號：TK730.3+12

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0048-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.013

收稿日期：2014-10-15

作者簡介：周忠浩（1967-），男，工程師，從事水輪機設計工作。