水電站頂蓋均壓管汽蝕原因分析及改進措施研究

雷明川

（四川華電瀘定水電有限公司，四川 成都 610000）

1 前言

水輪機頂蓋均壓排水管是水電站水輪機組頂蓋的重要組成部分,對整個機組的正常運行起著至關重要的作用。均壓管布置于在止漏環和主軸密封之間，通過均壓管將轉輪上冠與頂蓋內腔相通，達到轉輪上冠與頂蓋內腔壓力與尾水軸管腔壓力一致，從而降低水輪發電機組軸向水推力的目的，防止機組在不良工況或甩負荷時出現抬機現象影響機組安全穩定運行。

某電站每臺機組對稱布置有10根均壓排水管，材質為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、擴散管焊接構成。

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4年后頂蓋均壓排水管斜管段出現管壁磨穿漏水現象，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，采取臨時加固措施后運行正常。但在以后的機組檢修中，探傷報告顯示個別均壓管上彎處減薄程度達30%。

圖2 頂蓋均壓排水管穿孔情況

若頂蓋均壓管發生管壁磨穿漏水現象沒有及時發現，可能會造成水淹廠房事件，發生機組非停事件。其次，頂蓋均布10根均壓管，由于某根管壁磨穿漏水后，作用在頂蓋與轉輪上腔之間的軸向水壓力會發生不平衡，會逐步加大機組振動，造成機組軸承瓦溫升高，使軸承損壞，造成機組非停事件。最后，每年機組檢修期間對原頂蓋均壓管檢修維護時會增加檢修人員焊接和打磨傷人、摔傷跌落風險。

2 原因分析

管道內流體流經拐彎處或環焊縫等局部不規則表面時會發生速度變化并形成紊流，并對不連續處產生附加的切向應力，且當環焊縫中存在錯邊、咬邊等缺陷時，該現象更嚴重。該研究還表明，錯邊量越大，管內流體在流經焊縫區域時的徑向速度和紊流動能也迅速增加，表明流體對該處內壁表面徑向的沖擊作用越強，該區域的紊流程度越激烈，沖刷作用也越強。紊流進入光滑相對平直的管道后紊流現場后減少并逐步變為層流，層流的水對管道的沖刷和汽蝕作用很小。

經綜合分析，該電站均壓管出現管壁磨穿漏水原因主要有三個：首先，該電站頂蓋排水管拐彎大、拐點多，特別在入口處，入口處突變，通道突然變小，紊流現象最突出，電站排水管根部和入口的本體沖刷都極為嚴重；其次，使用均壓管材質屬于低碳碳素鋼，該鋼強度低；最后，該電站水質較差，特別是在汛期泥沙含量較重，進一步促進了管道的磨損。

3 頂蓋均壓排水管改造

3.1 改造原理

實際液體由于存在黏滯性而具有的兩種流動形態，液體質點作有條不紊的運動，彼此不相混摻的形態稱為層流。液體質點作不規則運動、互相混摻、軌跡曲折混亂的形態叫作紊流。它們傳遞動量、熱量和質量的方式不同：層流通過分子間相互作用，紊流主要通過質點間的混摻，紊流的傳遞速率遠大于層流。一般充滿水的低壓管道為層流。

管道內流體流經拐彎處或環焊縫等局部不規則表面時會發生速度變化并形成紊流，并對不連續處產生附加的切向應力，且當環焊縫中存在錯邊、咬邊等缺陷時，該現象更嚴重。該研究還表明，錯邊量越大，管內流體在流經焊縫區域時的徑向速度和紊流動能也迅速增加，表明流體對該處內壁表面徑向的沖擊作用越強，該區域的紊流程度越激烈，沖刷作用也越強。紊流進入光滑相對平直的管道后紊流現場后減少并逐步變為層流，層流的水對管道的沖刷和汽蝕作用很小。

該電站頂蓋排水管拐彎大，拐點多，特別在入口處，入口處突變，通道突然變小，紊流現象最突出，電站排水管根部和入口的本體沖刷都極為嚴重。頂蓋排水口加裝一圓形水箱,相當于將流道突變量改為二級，突變量減少。當壓力水進入圓形水箱時，由于水箱的斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內的水對水流產生阻礙減少水流紊亂，特別對圓形水箱內形成的壓力脈動可以起到緩沖均壓作用從而減少壓力水對進水口的沖刷，也會減少排水管的振動。

經對原頂蓋均壓排水管和改造后的頂蓋均壓排水管進行三維數值模擬分析，數值分析結果表明，在頂蓋出水口改為圓形水箱后，當壓力水進入圓形水箱時，由于水箱斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內的水對水流產生阻礙減少水流紊亂，特別對圓形水箱內形成的壓力脈動可以起到緩沖均壓作用，從而減少壓力水對進水口的沖刷,也會減少排水管的振動。因此，在頂蓋排水口出加裝圓形水箱具有可行性。

3.2 實施改造

根據機組檢修計劃安排，首先對該電站4號機組頂蓋均壓排水管進行改造。為了減輕紊流對管道的沖刷和汽蝕作用，設計在頂蓋排水口加裝一圓柱形水箱，如圖3所示。相當于將流道突變量改為二級，突變量減少，當壓力水進入圓形水箱時，由于斷面大于出口管，水流速突然減少，已存在水箱內的水對水流產生阻礙減少水流紊亂,特別是壓力脈動時圓形盒內的水可以起到緩沖均壓作用，從而減少壓力水對進水口的沖刷,也會減少排水管的振動。

圖3 頂蓋均壓排水管改造圖

圓形水箱采用的材質為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，并按現場實際情況保證圓形水箱、彎管、擴散管中心線在同一平面內。

無縫鋼管、彎頭均選用304不銹鋼，并將壁厚增至10mm厚，將成品無縫鋼管、直角彎頭根據現場實際尺寸配管，使圓形水箱、彎管、擴散管中心線在同一平面內，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，不銹鋼管道對接焊縫采用氬弧焊，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程序包括預處理、預清洗、滲透處理、去除處理、干燥處理、顯像、觀察和后處理等。經檢測，所有的焊縫檢測結果全部合格。

4 結語

經過1個檢修周期的運行考驗，在機組檢修時，對改造后的頂蓋均壓排水管進行金屬無損檢測，所有管路壁厚、管路焊縫均滿足設計要求，運行期間檢查頂蓋均壓管各焊縫無滲水情況，振動及聲音明顯小于改造前的頂蓋均壓管，實現了改造處理的預期效果。對頂蓋均壓排水管改造后，均壓管使用壽命是改造前的1倍，不會再因為管壁磨穿后臨時采取加固措施，因此可節約采取臨時加固的材料費用。每年因對原頂蓋均壓管檢修維護會加長機組檢修工期，將頂蓋均壓管出水口改造成圓形水箱后，定會縮短機組檢修工期，使機組能提前完成檢修并入網，增發電量，創造經濟效益。