水電站頂蓋均壓管汽蝕原因分析及改進(jìn)措施研究

雷明川

（四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610000）

1 前言

水輪機(jī)頂蓋均壓排水管是水電站水輪機(jī)組頂蓋的重要組成部分,對(duì)整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。均壓管布置于在止漏環(huán)和主軸密封之間，通過(guò)均壓管將轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋內(nèi)腔相通，達(dá)到轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋內(nèi)腔壓力與尾水軸管腔壓力一致，從而降低水輪發(fā)電機(jī)組軸向水推力的目的，防止機(jī)組在不良工況或甩負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

某電站每臺(tái)機(jī)組對(duì)稱布置有10根均壓排水管，材質(zhì)為20#，其安裝位置如圖1所示，頂蓋均壓排水管主要由直管、彎管、擴(kuò)散管焊接構(gòu)成。

圖1 頂蓋均壓排水管安裝示意圖

該電站頂蓋均壓排水管電站投產(chǎn)4年后頂蓋均壓排水管斜管段出現(xiàn)管壁磨穿漏水現(xiàn)象，如圖2所示，穿孔部位都在斜管段與頂蓋焊接縫上端30mm左右，采取臨時(shí)加固措施后運(yùn)行正常。但在以后的機(jī)組檢修中，探傷報(bào)告顯示個(gè)別均壓管上彎處減薄程度達(dá)30%。

圖2 頂蓋均壓排水管穿孔情況

若頂蓋均壓管發(fā)生管壁磨穿漏水現(xiàn)象沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能會(huì)造成水淹廠房事件，發(fā)生機(jī)組非停事件。其次，頂蓋均布10根均壓管，由于某根管壁磨穿漏水后，作用在頂蓋與轉(zhuǎn)輪上腔之間的軸向水壓力會(huì)發(fā)生不平衡，會(huì)逐步加大機(jī)組振動(dòng)，造成機(jī)組軸承瓦溫升高，使軸承損壞，造成機(jī)組非停事件。最后，每年機(jī)組檢修期間對(duì)原頂蓋均壓管檢修維護(hù)時(shí)會(huì)增加檢修人員焊接和打磨傷人、摔傷跌落風(fēng)險(xiǎn)。

2 原因分析

管道內(nèi)流體流經(jīng)拐彎處或環(huán)焊縫等局部不規(guī)則表面時(shí)會(huì)發(fā)生速度變化并形成紊流，并對(duì)不連續(xù)處產(chǎn)生附加的切向應(yīng)力，且當(dāng)環(huán)焊縫中存在錯(cuò)邊、咬邊等缺陷時(shí)，該現(xiàn)象更嚴(yán)重。該研究還表明，錯(cuò)邊量越大，管內(nèi)流體在流經(jīng)焊縫區(qū)域時(shí)的徑向速度和紊流動(dòng)能也迅速增加，表明流體對(duì)該處內(nèi)壁表面徑向的沖擊作用越強(qiáng)，該區(qū)域的紊流程度越激烈，沖刷作用也越強(qiáng)。紊流進(jìn)入光滑相對(duì)平直的管道后紊流現(xiàn)場(chǎng)后減少并逐步變?yōu)閷恿鳎瑢恿鞯乃畬?duì)管道的沖刷和汽蝕作用很小。

經(jīng)綜合分析，該電站均壓管出現(xiàn)管壁磨穿漏水原因主要有三個(gè)：首先，該電站頂蓋排水管拐彎大、拐點(diǎn)多，特別在入口處，入口處突變，通道突然變小，紊流現(xiàn)象最突出，電站排水管根部和入口的本體沖刷都極為嚴(yán)重；其次，使用均壓管材質(zhì)屬于低碳碳素鋼，該鋼強(qiáng)度低；最后，該電站水質(zhì)較差，特別是在汛期泥沙含量較重，進(jìn)一步促進(jìn)了管道的磨損。

3 頂蓋均壓排水管改造

3.1 改造原理

實(shí)際液體由于存在黏滯性而具有的兩種流動(dòng)形態(tài)，液體質(zhì)點(diǎn)作有條不紊的運(yùn)動(dòng)，彼此不相混摻的形態(tài)稱為層流。液體質(zhì)點(diǎn)作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態(tài)叫作紊流。它們傳遞動(dòng)量、熱量和質(zhì)量的方式不同：層流通過(guò)分子間相互作用，紊流主要通過(guò)質(zhì)點(diǎn)間的混摻，紊流的傳遞速率遠(yuǎn)大于層流。一般充滿水的低壓管道為層流。

管道內(nèi)流體流經(jīng)拐彎處或環(huán)焊縫等局部不規(guī)則表面時(shí)會(huì)發(fā)生速度變化并形成紊流，并對(duì)不連續(xù)處產(chǎn)生附加的切向應(yīng)力，且當(dāng)環(huán)焊縫中存在錯(cuò)邊、咬邊等缺陷時(shí)，該現(xiàn)象更嚴(yán)重。該研究還表明，錯(cuò)邊量越大，管內(nèi)流體在流經(jīng)焊縫區(qū)域時(shí)的徑向速度和紊流動(dòng)能也迅速增加，表明流體對(duì)該處內(nèi)壁表面徑向的沖擊作用越強(qiáng)，該區(qū)域的紊流程度越激烈，沖刷作用也越強(qiáng)。紊流進(jìn)入光滑相對(duì)平直的管道后紊流現(xiàn)場(chǎng)后減少并逐步變?yōu)閷恿?，層流的水?duì)管道的沖刷和汽蝕作用很小。

該電站頂蓋排水管拐彎大，拐點(diǎn)多，特別在入口處，入口處突變，通道突然變小，紊流現(xiàn)象最突出，電站排水管根部和入口的本體沖刷都極為嚴(yán)重。頂蓋排水口加裝一圓形水箱,相當(dāng)于將流道突變量改為二級(jí)，突變量減少。當(dāng)壓力水進(jìn)入圓形水箱時(shí)，由于水箱的斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內(nèi)的水對(duì)水流產(chǎn)生阻礙減少水流紊亂，特別對(duì)圓形水箱內(nèi)形成的壓力脈動(dòng)可以起到緩沖均壓作用從而減少壓力水對(duì)進(jìn)水口的沖刷，也會(huì)減少排水管的振動(dòng)。

經(jīng)對(duì)原頂蓋均壓排水管和改造后的頂蓋均壓排水管進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，數(shù)值分析結(jié)果表明，在頂蓋出水口改為圓形水箱后，當(dāng)壓力水進(jìn)入圓形水箱時(shí)，由于水箱斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內(nèi)的水對(duì)水流產(chǎn)生阻礙減少水流紊亂，特別對(duì)圓形水箱內(nèi)形成的壓力脈動(dòng)可以起到緩沖均壓作用，從而減少壓力水對(duì)進(jìn)水口的沖刷,也會(huì)減少排水管的振動(dòng)。因此，在頂蓋排水口出加裝圓形水箱具有可行性。

3.2 實(shí)施改造

根據(jù)機(jī)組檢修計(jì)劃安排，首先對(duì)該電站4號(hào)機(jī)組頂蓋均壓排水管進(jìn)行改造。為了減輕紊流對(duì)管道的沖刷和汽蝕作用，設(shè)計(jì)在頂蓋排水口加裝一圓柱形水箱，如圖3所示。相當(dāng)于將流道突變量改為二級(jí)，突變量減少，當(dāng)壓力水進(jìn)入圓形水箱時(shí)，由于斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內(nèi)的水對(duì)水流產(chǎn)生阻礙減少水流紊亂,特別是壓力脈動(dòng)時(shí)圓形盒內(nèi)的水可以起到緩沖均壓作用，從而減少壓力水對(duì)進(jìn)水口的沖刷,也會(huì)減少排水管的振動(dòng)。

圖3 頂蓋均壓排水管改造圖

圓形水箱采用的材質(zhì)為304不銹鋼，尺寸為Φ345×20，傾斜方向按原頂蓋均壓管直管段傾斜角度加工配管，并按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況保證圓形水箱、彎管、擴(kuò)散管中心線在同一平面內(nèi)。

無(wú)縫鋼管、彎頭均選用304不銹鋼，并將壁厚增至10mm厚，將成品無(wú)縫鋼管、直角彎頭根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸配管，使圓形水箱、彎管、擴(kuò)散管中心線在同一平面內(nèi)，并保證頂蓋上的10根均壓管在圓周方向的傾斜角度為一致。

焊接時(shí)，不銹鋼管道對(duì)接焊縫采用氬弧焊，不銹鋼與碳鋼采用電弧焊，焊材為不銹鋼。

焊縫滲透探傷的檢驗(yàn)程序包括預(yù)處理、預(yù)清洗、滲透處理、去除處理、干燥處理、顯像、觀察和后處理等。經(jīng)檢測(cè)，所有的焊縫檢測(cè)結(jié)果全部合格。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)1個(gè)檢修周期的運(yùn)行考驗(yàn)，在機(jī)組檢修時(shí)，對(duì)改造后的頂蓋均壓排水管進(jìn)行金屬無(wú)損檢測(cè)，所有管路壁厚、管路焊縫均滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行期間檢查頂蓋均壓管各焊縫無(wú)滲水情況，振動(dòng)及聲音明顯小于改造前的頂蓋均壓管，實(shí)現(xiàn)了改造處理的預(yù)期效果。對(duì)頂蓋均壓排水管改造后，均壓管使用壽命是改造前的1倍，不會(huì)再因?yàn)楣鼙谀ゴ┖笈R時(shí)采取加固措施，因此可節(jié)約采取臨時(shí)加固的材料費(fèi)用。每年因?qū)υ斏w均壓管檢修維護(hù)會(huì)加長(zhǎng)機(jī)組檢修工期，將頂蓋均壓管出水口改造成圓形水箱后，定會(huì)縮短機(jī)組檢修工期，使機(jī)組能提前完成檢修并入網(wǎng)，增發(fā)電量，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。