石頭河水庫壩后電站水輪機蝸殼改造淺析

張新萍　郭琳（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

石頭河水庫壩后電站水輪機蝸殼改造淺析

張新萍郭琳
（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

為了確定石頭河水庫壩后電站改造后三臺機組蝸殼承壓值，本文通過對兩種不同的方法計算并結合原設計進行了比較分析，為水力機械過渡過程計算提供依據，并對蝸殼進行防腐改造處理，以期為類似工程改造提供參考。

壩后電站；蝸殼承壓值；改造；檢測

1　工程概況

石頭河水庫壩后電站工程位于陜西省眉縣西南15km的石頭河干流上，工程任務以供水、灌溉為主，結合發電。水庫于1969年開始籌建，1974年動工，1980年下閘蓄水，1989年工程基本建成，1994年正式通過竣工驗收。

壩后電站引水系統“一洞四機”布置。電站裝機四臺，總裝機容量18500kW，其中單機容量1#6500kW、2#3#5000kW、4#2000kW；1#～3#機組同期建設，為立軸混流式水輪發電機組，于1991年建成發電。為了配合西安市城市供水，擴建4#機組，為臥軸混流式，其壓力鋼管引自3#機組壓力鋼管蝶閥前，4#機組于1998年建成發電。

正在施工的引紅濟石工程建成后將向石頭河水庫調水，石頭河水庫將新增向西安市、咸陽市、楊凌區、寶雞市等城市供水任務。調水后石頭河水庫經常處于高水位運行。1#機組發電水頭范圍由原來的35m～52m～70m調整為50m～70m～88m。這樣1#機組的發電水頭有了較大地提高。改造后電站單機容量及總裝機容量不變，1#機組調整運行水頭范圍，更換轉輪及發電機，轉速增加；2#3#機組更換轉輪，4#機組不改造。

改造后最大的變化就是在最大水頭工況發電機組臺數發生了變化。在最大水頭工況，改造后1#、2#、3#三臺機組有同時發電的可能，而改造前三臺機組不會同時發電，僅2#與3#機組兩臺可同時發電。

蝸殼承壓值是水力機械過渡過程甩負荷壓力上升計算的重要依據，關系到電站的運行安全。因此改造后蝸殼承壓值應該滿足水力機械過渡過程計算要求，即滿足高水頭工況三臺機組同時甩負荷時壓力上升的要求。

電站改造前后四臺機組主要參數見表1。

2　確定蝸殼承壓值

對于改造項目的蝸殼承壓值計算有兩種方法：一是通過蝸殼檢測計算，二是利用手冊公式計算。

2.1通過蝸殼檢測值計算

根據設計要求，陜西省石頭河水庫管理局委托水利部水工金屬結構質量檢測中心對1#、2#、3#機組的蝸殼和鋼管進行了檢測，并完成《陜西省石頭河水庫水電站壓力鋼管及蝸殼檢測報告》［2］。報告顯示：

1#機組蝸殼和進水閥下游鋼管腐蝕嚴重，銹包打磨后可見φ3mm～φ8mm的蝕坑，最大腐蝕厚度2.5mm，蝕余厚度13.5mm，以目前實際鋼板厚度反算后，最大承壓為1.3MPa。

2#機組蝸殼和進水閥下游鋼管有分散的單個和多個銹包，銹包打磨后可見φ2mm～φ6mm的蝕坑，最大腐蝕厚度0.7mm，蝕余厚度17.3mm，以目前實際鋼板厚度反算后，最大承壓為3.6MPa。

3#機組蝸殼和進水閥下游鋼管有分散的單個和多個銹包，漏水嚴重無法檢測。1～12節蝸殼銹蝕厚度1.2mm。

2.2利用手冊公式計算

根據《水輪機設計手冊》［1］，蝸殼延伸段承壓能力的計算公式為：p=δ［σ］/ρ；蝸殼各斷面承壓能力的計算公式為：

式中p——蝸殼承受的最大水壓（包括升壓）（kg/cm2）；

δ——蝸殼各斷面壁厚（cm）；

［σ］——材料許用應力，A3鋼取1300kg/cm2，16Mn鋼取1600kg/cm2；

a——蝸殼各斷面的中心距（cm）；

R0——蝸殼搭接點半徑（cm）；

ρ——蝸殼各斷面半徑（cm）。

表1　改造前后壩后電站1#～4#機組主要參數表

根據以上公式分別計算1#蝸殼延伸段及1～24蝸殼斷面承壓值，計算結果：1斷面承壓值最小。由于缺少2#、3#機組蝸殼資料，類比1#蝸殼，2#、3#蝸殼1斷面承壓值亦最小。1#～3#蝸殼承壓值，按照是否慮銹蝕兩種工況分別計算［4］，結果見表2。

表2　蝸殼承壓值比較表

根據《水輪機設計手冊》［1］，在進行蝸殼設計時，根據蝸殼承受的最大水壓（包括水錘升壓）計算蝸殼壁厚，并考慮蝸殼殼壁銹蝕裕量0.15cm～0.2cm。對于改造電站原蝸殼承壓值復核，則是根據蝸殼殼壁厚度，反推其承壓值。從表中可以看出是否考慮0.2cm銹蝕裕量，計算的蝸殼承壓值差別還是比較大的。壓力值相差13%～18%。

2.3蝸殼承壓值的確定

檢測單位計算的蝸殼承壓值，比利用《水輪機設計手冊》公式計算的值要大（考慮銹蝕裕量）。根據1989年6月“石頭河水庫樞紐工程壩后電站技施說明書水力機械部分”［3］報告：“1#、2#、3#機組在70m水頭，蝸殼允許承受的最大壓力須控制在105m水柱以內，2#、3#機組在88.83m水頭，蝸殼允許承受的最大壓力須控制在110m水柱以內”；考慮到壩后電站已運行二十余年，因此確定各蝸殼允許壓力值分別為：1#：1.01MPa，2#、3#：1.05MPa。即確定水力機械過渡過程計算蝸殼允許壓力絕對值：1#機組＜101m，2#、3#機組＜105m。

將考慮0.2cm銹蝕裕量時的蝸殼允許壓力絕對值，作為電站蝸殼允許壓力值，要求水力機械過度過程計算水錘壓力上升不超過此值。

3　蝸殼改造措施

陜西省石頭河水庫管理局委托施工單位對各蝸殼進行改造，根據現場條件，確定具體改造措施為：采用鋼絲輪角磨機打磨、拋光，利用環氧樹脂加金剛砂進行修補，環氧樹脂打底，滾涂“無毒環氧飲用水涂料”做防腐處理。

4　對蝸殼的不定期檢測分析

根據《壓力鋼管安全檢測技術規程》（DL/709-1999），“壓力鋼管的首次檢測是在運行5年～10年后進行；中期檢測是在首次檢測后每10年～15年進行一次；折舊期滿檢測是在運行滿40年后，確定鋼管是否可以繼續服役及必須采取的加固措施。壓力鋼管檢測內容包括：巡視檢查、外觀檢查、材質檢查、無損探傷、應力檢查、振動檢查、水質及底質檢查”。而蝸殼位于壓力鋼管的末端，其受力強度比壓力鋼管要大，那么就有必要對蝸殼也進行不定期的檢測。特別是對于改造電站，本身已經運行很多年，蝸殼經過銹蝕、磨蝕、汽蝕、振動、荷載交變、變形等等的破壞，其強度會受到一定影響。因此，對蝸殼的不定期檢測是很有必要的。

俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站總裝機十臺機組，裝機容量6400MW。2009年8月17日，九臺機組正在運行（6#機組定期維護，處于停機狀態），由于2#水輪機頂蓋螺母大部分有不同程度的疲勞性損傷以及部分螺栓沒有螺母，發生了水輪機頂蓋螺栓斷裂，水柱從2#水輪機空腔噴入主廠房，淹沒主廠房發電機層及下面各層，造成75人死亡、13人失蹤、部分機組嚴重損壞的惡性事故。這就是震驚世界的俄羅斯薩揚水電站817事故。根據俄羅斯官方事故原因報告書，817事故發生原因有技術原因、管理原因、設計原因。其中管理原因存在對機組服役年限沒有作出規定，電站在定期檢查過程中，都是以目測方法進行控制，而未采用水力發電機組設備在安全保證期內的無損檢測方法。薩揚817事故給我們啟示，水電站的安全穩定運行，不僅關系到業主方的利益，更關系到人身安全和社會公共環境的安全。安全警鐘長鳴，時時處處提高安全意識。

薩揚電站由于頂蓋螺栓螺母的撕裂造成了站毀人亡的災難性事故，所以機電設備無小事。水電站的機電設備的安全穩定運行是保證水電站穩定運行的核心所在，薩揚電站事故為我們敲響了安全警鐘，我們應該引以為戒。試想，如果薩揚電站能夠及時采取無損檢測方法檢測到頂蓋螺栓螺母的疲勞損傷，并及時采取維護措施，或許事故可以避免。

5　結語

通過對石頭河壩后電站蝸殼的改造，筆者認為就石頭河壩后電站蝸殼殼壁而言，考慮銹蝕裕量后，確定水力機械過渡過程各水輪機蝸殼的承壓值是偏安全的。蝸殼是水輪機的重要設備之一，改造工程對原蝸殼的不定期檢測是必要的。建議壩后電站運行時，密切觀測蝸殼運行情況，并進行不定期無損檢測，及時排除安全隱患，保證電站安全穩定運行。陜西水利

［1］哈爾濱大電機研究所編著.《水輪機設計手冊》.北京：機械工業出版社，1976.11.

［2］水利部水工金屬結構質量測試中心編制.《陜西省石頭河水庫水電站壓力鋼管及蝸殼檢測報告》，2014.5.

［3］陜西省水利電力勘測設計研究院編制.《石頭河水庫樞紐工程壩后電站技施說明書水力機械部分》，1989.6.

［4］南寧廣發重工集團有限公司編制.《石頭河水庫壩后電站蝸殼承壓能力計算》，2014.6.

（責任編輯：唐紅云）

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