陽江抽水蓄能電站蝸殼首次水壓試驗失敗原因分析及處理

王石林

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

1 概述

陽江抽水蓄能電站（簡稱陽蓄電站）近期地下廠房安裝3臺套單機容量400 MW立軸混流可逆式機組，水輪機工況額定水頭653 m。水輪機座環材質為S500Q-Z35，蝸殼材質為610CF。蝸殼進口延伸管內徑為2 270 mm，板厚為100 mm，延伸管進口帶有連接法蘭。座環蝸殼設計壓力為11.01 MPa，試驗壓力為16.515 MPa，蝸殼保壓澆筑壓力為6.0±0.2 MPa。

2 蝸殼水壓試驗過程

陽蓄電站首臺機組蝸殼按設計圖紙要求將封水環、試驗悶頭、試壓管路、壓力表和試壓泵等設備安裝完成，見圖1所示。先通過蝸殼進口段上方DN200蝸殼平壓排氣接口向蝸殼內注水，邊注水邊檢測封水環、悶頭、管路和接頭等部位無滲水，蝸殼水注滿后安裝DN200蝸殼平壓排氣管、密封墊、緊固件、壓力表、蝸殼排氣管等部件。

圖1 蝸殼水壓試驗示意圖

蝸殼水壓試驗是根據圖2中的壓力曲線進行升壓、泄壓和保壓試驗[1]，第1階段順利完成11.01 MPa設計壓力試驗，第2階段在完成11.01 MPa、13.17 MPa和14.75 MPa升壓和保壓試驗后，再次升壓至15.50 MPa時DN200蝸殼平壓排氣接口法蘭墊突然爆裂，導致蝸殼急速泄壓（1 min泄壓至0 MPa，見圖2所示）引起蝸殼激烈振動，水壓試驗終止。蝸殼無壓后，相關參建方查看泄水部位發現DN200蝸殼平壓排氣接口法蘭密封墊有部分露出法蘭，拆除管路后查看密封墊已被撕裂。

圖2 試驗壓力曲線圖

試驗終止后相關參建方對座環和蝸殼開展全面檢查，包括座環中心、方位、水平和高程；蝸殼進口段中心和高層；座環與蝸殼連接部位以及座環蝸殼支墩及基礎螺栓等。發現蝸殼進口段1號和2號混凝土支墩出現開裂，見圖3所示；座環上法蘭面軸向平面度最大0.38 mm變為0.8 mm，座環拉緊螺桿松動2顆，其余檢查項目未發現問題。

圖3 蝸殼支墩布置及開裂圖

3 蝸殼水壓試驗失敗原因分析

蝸殼試驗失敗后，由監理組織相關參建方和專家與會討論，主要從座環和蝸殼安裝、設計、密封材料和試驗流程等多方面查找原因，并作出分析如下。

3.1 座環蝸殼施工分析

（1）座環和蝸殼安裝各項數據滿足設計及規范要求；座環鋼支墩與基礎環和楔子板，以及楔子板與座環均按要求進行焊接固定；座環拉緊螺桿均按設計力矩把緊，座環拉緊螺桿套管未安裝；蝸殼防上浮固定錨索按設計要求處于松弛狀態；蝸殼混凝土支墩上的預埋基礎板澆筑密實；蝸殼鋼支墩下方的楔子板按設計要求與蝸殼混凝土支墩上的基礎板焊接固定，楔子板與蝸殼鋼支墩點焊固定，楔子板之間處于自由狀態，見圖4所示；座環蝸殼焊縫均探傷合格，本次試驗未出現滲水或破裂。試驗終止后，安裝單位用100 t液壓千斤頂對推力環底部做了臨時支撐防護。

圖4 座環蝸殼固定示意圖

（2）座環蝸殼基礎混凝土采用C30二級配方澆筑，蝸殼水壓試驗前混凝土基礎保養時間達34 d，根據28 d樣塊檢查強度達30.3 MPa，混凝土強度滿足規范要求；蝸殼支墩基礎板安裝數據滿足設計及規范要求，與混凝土接觸密實無空腔；蝸殼混凝土支墩鑿毛后未見蜂窩麻面，混凝土澆筑振搗密實。

（3）通過以上排查結果，座環和蝸殼安裝、混凝土基礎澆筑質量均符合設計及規范要求。

3.2 設計方面分析

（1）制造廠提供了蝸殼單個支墩承受最大靜載荷為175 kN。設計方復核混凝土支墩受力筋配筋為HRB400，φ22@150，箍筋為HPB300，φ8@100滿足廠家要求；但實際配筋為HRB400，φ25@150，箍筋為HPB300 φ8@100。故蝸殼支墩配筋強度滿足要求；另復核蝸殼支墩基礎面的局部承壓計算結果也滿足設計要求。

（2）蝸殼進口段設計4個混凝土支墩，安裝單位在蝸殼進口靠墻位置用I63工字鋼安裝了臨時鋼支架用于支撐進口段，見圖3所示。1號和2號混凝土支墩至蝸殼進口法蘭長度為3 452 mm，打壓悶頭長度為1 865 mm，蝸殼試驗時進口段總長度達5 317 mm，該部分鋼管僅有向上支撐約束，泄壓口又位于該段上，蝸殼快速泄壓產生激烈振動，進口段1號、2號支墩和臨時鋼支架承受了較大振動力導致蝸殼1號、2號混凝土支墩開裂[2]。

3.3 密封件材質分析

蝸殼進口段上方DN200蝸殼平壓排氣接口法蘭密封墊撕裂是因密封墊型號供貨錯誤導致。設計密封墊型號是纏繞式墊片DN200-PN160-D2232（帶內環和定位環型），但實際到貨型號是DN200-PN160-B0232（帶內環型）。蝸殼平壓排氣接口法蘭為平面式結構，故只能使用DN200-PN160-D2232密封墊[3]，要求供貨商重新發運與設計型號相匹配的密封墊。密封墊撕裂導致蝸殼急速泄壓產生激烈振動，是蝸殼進口段1號、2號混凝土支墩開裂的直接因素。

3.4 試驗流程分析

（1）試驗前安裝單位在座環內部、蝸殼外部和延伸管X、Y、Z方向上布置百分表用于監測水壓試驗過程中座環和蝸殼變形情況[4]。廠家也在相應方向上布置應力片，全過程監測蝸殼水壓試驗應力變化情況。安裝單位和廠家的監測布置滿足水壓試驗要求。

（2）根據廠家現場監測記錄的試驗數據分析圖（見圖5所示），安裝單位是嚴格按圖5所示試驗壓力曲線圖進行水壓試驗，試驗操作過程符合要求。

圖5 蝸殼試驗過程應力監測記錄分析圖

（3）試驗前，安裝單位對座環蝸殼及相關區域實行了封閉管理，安全措施到位，蝸殼壓力水噴出未發生安全事故。

4 處理方法及結果

綜合以上原因查找和分析結果，座環和蝸殼安裝以及蝸殼混凝土支墩澆筑質量均滿足設計及規范要求，主要因素是DN200蝸殼平壓排氣接口法蘭面密封撕裂造成蝸殼內水壓急速泄壓產生振動致使混凝土支墩開裂；次要因素是蝸殼進口段支墩布置不合理，較長管段處于懸空狀態。后續水壓試驗解決方法及結果如下：

（1）對已松動的2根座環拉緊螺桿重新預緊，并對所有拉緊螺桿預緊力進行檢查，確保座環拉緊螺桿預緊力均滿足設計要求。拉緊螺桿緊固后復測座環軸向水平度最大為0.5 mm（受蝸殼注滿水影響），徑向最大水平度為0.33 mm，其它安裝數據未變。

（2）在推力環下方的混凝土面上安裝2塊30 mm×250 mm×250 mm鋼板，參考1號和2號混凝土支墩位置安裝鋼板，鋼板通過在混凝土上打插筋焊接固定，鋼板與混凝土面接觸密實。新制作2個鋼支墩分別落放在鋼板上，鋼支墩與推力環環筋焊接固定，與鋼板處于自由狀態，鋼支墩安裝完后拆除100 t液壓千斤頂。

（3）推力環鋼支墩安裝后，鑒于2個混凝土支墩（1號和2號）邊角區域開裂（見圖3），中間區域未發現裂紋，對裂紋做化學灌漿處理[5]。

（4）DN200蝸殼平壓排氣接口法蘭面使用DN200-PN160-D2232密封墊安裝，蝸殼下方排水管與蝸殼之間的法蘭密封墊也進行更換處理，并將法蘭組合螺栓全部用新螺栓更換。

（5）所有蝸殼防上浮固定錨索處于松弛狀態，檢查蝸殼無外加約束力。

（6）上述工作完成后重新對座環蝸殼進行水壓試驗，試驗過程嚴格按試驗壓力曲線完成各個階段的升壓、泄壓和保壓。蝸殼水壓試驗測得最大變形量為2.27 mm＜設計變形量2.34 mm，蝸殼延伸管高程下沉0.17 mm，其它數據試驗前后基本無變化，試驗結果見表1所示，蝸殼第2次水壓試驗一次性成功。

表1 蝸殼水壓試驗數據記錄表

（7）蝸殼水壓試驗完成后，為確保施工安全，保持蝸殼無壓狀態下完成座環拉緊螺桿套管安裝和焊接；蝸殼鋼支墩與楔子板，以及楔子板之間焊接固定；推力環鋼支墩與鋼板焊接固定；蝸殼外包鋼筋的綁扎。上述工作完成后將蝸殼水壓升至6.0 MPa完成蝸殼防上浮固定錨索把緊，最后按要求進行座環蝸殼混凝土澆筑。

5 結束語

陽蓄電站2號和3號機組座環蝸殼水壓試驗按上述方法完成支撐和固定，兩臺機組座環蝸殼水壓試驗均一次性成功，陽蓄電站蝸殼水壓試驗處理方法提供同行參考借鑒。