鳳灘水電廠5號機(jī)組尾水肘管撕裂分析及處理

周立華

（湖南省電力公司鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419621）

鳳灘水電廠5號機(jī)組尾水肘管撕裂分析及處理

周立華

（湖南省電力公司鳳灘水力發(fā)電廠，湖南 沅陵 419621）

介紹了鳳灘水電廠5號機(jī)組尾水肘管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了導(dǎo)致撕裂現(xiàn)象的原因，提出了相應(yīng)的處理方法及處理過程中的注意事項(xiàng)，用以總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，給同行提供參考，提高水電廠設(shè)備管理和安全水平。

尾水肘管；撕裂；原因分析；處理方法

0 引言

鳳灘水電廠位于湖南省西部酉水下游，始建于20世紀(jì)70年代，原裝機(jī)容量為4×100MW。為提高水庫水能利用率，經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準(zhǔn)啟動了“鳳電擴(kuò)機(jī)工程”，并于2004年底完成，即采用地下式廠房結(jié)構(gòu)，增設(shè)2×200MW機(jī)組。全廠總裝機(jī)容量增加到800MW，年平均發(fā)電量提高了5.45億kW·h。

新投產(chǎn)的兩臺水輪發(fā)電機(jī)型號為SF200－48/11810，由天津阿爾斯通生產(chǎn)；水輪機(jī)型號為HLD347-LJ-565，由東方電機(jī)廠生產(chǎn)。自2004年投產(chǎn)以來，5號機(jī)組尾水管真空度和壓力脈動超標(biāo)，尾水錐管以及肘管處鋼襯曾出現(xiàn)空鼓或撕裂。本文將針對該機(jī)組尾水錐管所出現(xiàn)的問題及其解決方法進(jìn)行探討。5號機(jī)組水輪機(jī)基本參數(shù)：額定水頭為73.0m，最高水頭為85.72m，最低水頭為60.64m；額定轉(zhuǎn)速為125r/min，水輪機(jī)在額定水頭及額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時，額定出力為204.08MW（不包括勵磁容量）；設(shè)計(jì)水頭下額定功率流量306.39m3/s；吸出高度-5.13m，機(jī)組的安裝高層113.07m；接力器最大行程720mm，甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速上升率＜150%。

1 尾水肘管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

5號機(jī)組尾水管由錐管段、肘管段、擴(kuò)散段組成。錐管和肘管段均采用鋼襯形式，最大高度18223mm，最大寬度11235mm。鋼板里襯自基礎(chǔ)環(huán)開始延伸至肘管出口至機(jī)組中心線7774mm處，從轉(zhuǎn)輪出口基礎(chǔ)環(huán)開始的一段高度為0.5m的里襯為不銹鋼，其余部位為Q235B。整個尾水管除轉(zhuǎn)輪出口至肘管進(jìn)口斷面和出水口為圓形斷面外其余為橢圓形，擴(kuò)散段長為43.257m，肘管12個斷面共由122塊不同規(guī)格尺寸的Q235B鋼板組成（見圖1，單位為mm，其中13、14兩斷面為出口擴(kuò)散斷面）。[1]

肘管里襯外壁每個斷面均采用加筋環(huán)加強(qiáng)，11圈環(huán)筋每圈布拉筋60只共660只，加筋環(huán)厚度為16mm，環(huán)高為200mm，材料為Q235B。另外里襯外壁根據(jù)需要布置L形拉錨若干，底部的10-12斷面之間布置有一定數(shù)量的Φ120灌漿孔和5-12斷面安裝有調(diào)整用的若干千斤頂，肘管12斷面與擴(kuò)散段結(jié)合處整圈采用了厚度為16mm、寬為50mm的Q235鋼板與里襯出口鋼板垂直焊接作為封板。整個肘管段除了進(jìn)行了二次澆注混凝土外，還進(jìn)行了兩次回填灌漿，確保里襯與混凝土之間沒有間隙。

2 尾水肘管撕裂現(xiàn)象

2006年4月24日經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，5號機(jī)組尾水管肘部底部鋼板部分已被沖走，周邊殘存鋼板被卷起，部分鋼板已空鼓，其下部混凝土下凹。此時該機(jī)組投入運(yùn)行時間還不到一年半。

（1）破壞區(qū)域

肘管底部斷面12-11、11-10節(jié)間鋼板（與尾水管混凝土部分接合處鋼板，樁號為W0-035.483～W0-038.68左右，高程95m左右）在齊焊縫處被撕裂沖走，沖走鋼板總面積達(dá)18m2。周邊殘存鋼板被卷起，其下部混凝土下凹，深度達(dá)300mm（尺寸為3.2m×5.6m×0.3m）。混凝土上部受力鋼筋裸露，鋼筋基本完好無變形，第一排受力鋼筋已懸空，鋼筋表面未見殘留混凝土（見圖2）。

圖2 肘管底部撕裂圖片

（2）鋼板空鼓區(qū)域

肘管底部斷面12-11、11-10節(jié)間殘存鋼板（與尾水管混凝土部分接合處鋼板，樁號為W0-035.483～W0-038.68左右）空鼓約9.6m2，10-9,9-8節(jié)間鋼板（樁號為W0-038.68～W0-044.18左右，尺寸為8.1m×3.5m）空鼓面積約28m2，總空鼓面積達(dá)40m2左右。

（3）尾水管其它部位檢查無異常。

3 原因分析

根據(jù)現(xiàn)場肘管底部撕裂位置和痕跡，查閱機(jī)組安裝資料的基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)組有水試驗(yàn)成果和實(shí)際運(yùn)行情況，經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此現(xiàn)象有如下原因：

（1）機(jī)組多次試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)組在合同規(guī)定條件下的多種工況下尾水壓力脈動頻率和雙振幅△H／H均超標(biāo)，如國標(biāo)和合同規(guī)定值在大于等于設(shè)計(jì)水頭、機(jī)組預(yù)想出力為40%～80%時從機(jī)組尾水出口段處（0.30D1）壓力脈動為≤6.5%，而實(shí)際在水頭為82m帶125MW負(fù)荷時試驗(yàn)值達(dá)11.74%，且有主頻為0.72Hz的渦帶出現(xiàn)。

（2）機(jī)組尾水肘管安裝二次回填混凝土?xí)r灌漿不實(shí)，存在空腔等質(zhì)量問題沒有及時發(fā)現(xiàn)。從現(xiàn)場被撕裂的鋼板下面發(fā)現(xiàn)存在灌漿時漿液流動性不到位，有的區(qū)域一團(tuán)而有的沒有漿液。

（3）機(jī)組尾水管段山體滲漏水導(dǎo)致鋼管里襯外水揚(yáng)壓力大。

（4）機(jī)組投入一次調(diào)頻和AGC對機(jī)組影響大，機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行在非最優(yōu)工況區(qū)，機(jī)組的經(jīng)常調(diào)節(jié)導(dǎo)致機(jī)組經(jīng)常處于過渡過程，尾水管內(nèi)水流處于交變渦流狀態(tài)。

（5）從機(jī)組正常工況運(yùn)行情況來看，機(jī)組蝸殼層噪音明顯偏大，達(dá)120dB以上（合同設(shè)計(jì)值≤95dB）。從機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測尾水出口段處（0.30D1）壓力脈動傳感器和軸心補(bǔ)氣閥動作頻次和聲音來看，說明真機(jī)渦帶區(qū)和振動區(qū)大，真機(jī)與模型機(jī)差異明顯。

（6）鋼板材質(zhì)本身有問題或是焊接工藝不良。

4 處理方法

2006年4月27日，經(jīng)專家及設(shè)計(jì)咨詢后，決定不恢復(fù)鋼襯、采用混凝土回填的修補(bǔ)方案。具體方法如下：

（1）鋼板割除范圍

將破壞區(qū)域上游側(cè)（樁號為W0-038.68～W0-044.18左右，向上游側(cè)割除一塊鋼板，約為2m左右）及周邊空鼓鋼板（樁號為W0-038.68～W0-044.18左右，割除50cm左右）割除。

（2）原混凝土鑿除

將鋼板割除區(qū)域內(nèi)的混凝土鑿除30cm左右（鑿除至第二層鋼筋），將破壞區(qū)域內(nèi)的混凝土全部鑿除至94.547m（破壞區(qū)域內(nèi)下凹較深的混凝土只作表面鑿毛，清除松動的混凝土，下凹深度較淺的部位將混凝土鑿除至94.547m）。

（3）鋼板封口

鋼板割除后，必須對鋼板側(cè)面進(jìn)行鎖口處理，在鋼板側(cè)面沿周邊加焊16mm厚鋼板封口（封口鋼板寬度根據(jù)現(xiàn)場確定，要求封至第一層受力鋼筋上表面，100～150mm，見圖3），沿封口鋼板邊部布置鎖口錨筋（錨筋直徑為20mm，Ⅱ級，間距300mm，長度L=900mm，錨固長度700mm，采用微膨脹砂漿錨固，要求錨筋與封口鋼板雙面焊接，焊接嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行。

圖3 封板安裝焊接示意圖

（4）插筋布設(shè)

在修補(bǔ)區(qū)域內(nèi)（鋼板割除及鋼板破壞區(qū)域）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況盡量靠近上層受力鋼筋布設(shè)插筋（以便鋼筋上部水平彎頭與受力鋼筋焊接），插筋直徑為20mm，Ⅱ級，間距500mm×500mm，按梅花型布置，插筋長度L=1200mm左右（長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場確定），錨固長度700mm，插筋上部要求水平彎頭，彎頭長度為300mm，水平上彎頭盡量與受力鋼筋焊接（根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定），采用微膨脹砂漿錨固。

（5）新澆混凝土

修補(bǔ)區(qū)域采用C35細(xì)石混凝土同時回填修補(bǔ)，混凝土澆筑至肘管鋼板表面，恢復(fù)原設(shè)計(jì)體型，第一層鋼筋表面混凝土厚度大于100mm，并在表層布置Ф6（間距200mm×200mm，雙向布置）的鋼筋網(wǎng)，混凝土表面刷抗磨劑，以使水流平順。

（6）滲水處理

由于滲水點(diǎn)無法找出，先將滲水引流，在混凝土澆筑后在鋼板下部空鼓較高的部位先灌水泥砂漿，根據(jù)情況采用鋼管引流，引流鋼管與鋼板焊接。

5 處理時的注意事項(xiàng)

（1）要求對鋼板其它空鼓區(qū)域在鋼板上開灌漿孔及排氣孔進(jìn)行灌漿填實(shí)；空鼓高度較大的要求灌水泥砂漿，在水泥砂漿達(dá)到初凝后再灌水泥漿，空鼓高度較小的灌水泥漿（漿嚴(yán)格按規(guī)定配比，粘度太大和太小均不可）；要求灌漿時必須控制灌漿壓力（一般為0.3MPa左右），以免造成鋼板鼓包。

（2）細(xì)石混凝土施工要求：摻微膨脹劑，要求封口鋼板與鑿除后的混凝土表面垂直，采用平板振動器振搗，要求由擴(kuò)機(jī)工程拌合站提供，拌合時由中心試驗(yàn)室進(jìn)行現(xiàn)場控制。

（3）灌漿水泥漿強(qiáng)度為M20，配合比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。

（4）混凝土、水泥砂漿配比要求由中心試驗(yàn)室經(jīng)試驗(yàn)后提供。

（5）金結(jié)工藝：要求割除平直，便于后序封口鋼板的施工，封口邊需要打焊接封口板坡口，嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行。

6 結(jié)束語

鳳灘水電廠5號機(jī)尾水肘管經(jīng)過專家論證并處理后，經(jīng)過了3年多的運(yùn)行，實(shí)踐證明處理是成功的。同時針對可能導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因，通過湖南省電力公司電力試驗(yàn)研究院現(xiàn)場多次試驗(yàn)，找到了優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行的區(qū)域，避免了在投入AGC和一次調(diào)頻時機(jī)組長時間處于不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行而損壞的可能，另外在處理過程中加大了對施工過程工藝的控制和把關(guān)，對肘管處外水揚(yáng)壓力采取了疏通消壓的措施等，為處理后機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了安全保障。今年，湖南省某水電廠一運(yùn)行了15年的機(jī)組也出現(xiàn)了同樣的情況，采用了同樣的處理方法很成功。實(shí)踐證明，該方法可以運(yùn)用于類似情況機(jī)組的處理，同時也給在建水電廠在尾水肘管選材、施工工藝、二次回填灌漿關(guān)鍵點(diǎn)控制以及監(jiān)理監(jiān)造方面提供了一些借鑒經(jīng)驗(yàn)。

[1]向小峰，鄒科.紫坪鋪電站尾水肘管現(xiàn)場安裝及質(zhì)量控制[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2004,27（6）:32.

TK730.3+14

B

1672-5387（2010）02-0030-03

2010-02-21

周立華（1976-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修與管理工作。