雅礱江官地水電站蝸殼水壓試驗密封結(jié)構(gòu)改進方案

陳 居 森， 姚 海 明

(1.中國水利水電第七工程局有限公司安裝分局，四川彭山 620800;2.四川二灘建設(shè)咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 概述

官地水電站位于四川省涼山州西昌市與鹽源縣交界的雅礱江上，東距西昌市直線距離約40 km，是錦屏一、二級電站與二灘電站中間的梯級電站。該電站為地下廠房結(jié)構(gòu)，裝4臺單機容量600 MW機組。

官地水電站蝸殼采用保壓澆筑，其中蝸殼水壓試驗設(shè)備主要包括:封水環(huán)、試壓悶頭、加壓系統(tǒng)三部分。封水環(huán)、試壓悶頭分兩瓣到貨，現(xiàn)場組圓焊接。封水環(huán)與座環(huán)間設(shè)置密封條，上密封條靠封水環(huán)法蘭面預(yù)壓緊，下密封條靠封水環(huán)與座環(huán)下法蘭內(nèi)鏜口間隙壓緊。試壓悶頭為球冠形，與蝸殼直管段焊接封水，板厚60 mm。悶頭上設(shè)有排氣、排水、加壓孔。封水環(huán)中部設(shè)置一個φ300的蝸殼注水孔和止水閥門，蝸殼注滿水后從悶頭加壓。

2 蝸殼封水環(huán)結(jié)構(gòu)性能與安裝

2.1 蝸殼水壓試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)型式

(1)外形尺寸:封水環(huán)最大外徑為φ10 190，高2 370 mm，結(jié)構(gòu)型式見圖1。

圖1 封水環(huán)與座環(huán)組裝總圖

(2)密封條布置。

根據(jù)廠家設(shè)計原理圖及結(jié)構(gòu)圖，封水環(huán)與座環(huán)上環(huán)法蘭面、下環(huán)鏜口之間設(shè)置有密封止水槽。封水環(huán)與上法蘭面之間設(shè)計間隙為35～45 mm，與下鏜口之間設(shè)計間隙為43.5 mm。封水槽內(nèi)設(shè)置一根φ50橡膠密封條(圖1)，作為蝸殼封水環(huán)與座環(huán)間的止水部分。

(3)密封條的安裝方法

通常，密封條的安裝方法分兩種:

①一種為靜壓安裝法。即工作面上設(shè)有密封槽，先將密封條放置在密封槽內(nèi)，靠兩個密封面把合把緊，從而達到止漏的目的。

②另一種為動壓安裝法。即兩個工作面不動，將密封條用另一特殊的安裝工具放置在工作面內(nèi)，靠垂直于密封條表面的液體或氣體反作用力達到止漏的目的。

該電站封水環(huán)密封條的安裝需要采用上述兩種安裝方法。

上密封條采用預(yù)壓封水環(huán)上的螺栓，達到壓縮密封條的目的。

下密封條采用千斤頂直壓法。把密封條放在壓板上，用2～3個千斤頂頂住壓條，將密封條擠壓入槽內(nèi)。全部密封條放入槽內(nèi)后，再采取對稱、分段、多次預(yù)壓壓板螺栓的方法將密封條壓緊。

(4)密封條的止水條件。

密封條的止水條件分為:預(yù)密封條件和操作密封條件。

預(yù)密封條件的意義:密封槽的密封面不管經(jīng)過多么精密的加工，從微觀來講，其表面總是凹凸不平的，存在溝槽。這些溝槽可成為密封面的泄漏通道。因此，必須利用較軟的密封條在預(yù)緊螺栓力的作用下，將密封條表面嵌入到密封槽密封面的凹凸不平處，將溝槽填沒，消除上述泄漏通道。為此，在密封條單位有效密封面積上應(yīng)有足夠的壓緊力。此單位面積上的壓緊力稱為密封條的密封比壓力(單位為 MPa)，用y表示。不同的密封條有不同的比壓力。密封條材料愈硬，y愈高。

操作密封條件的意義:經(jīng)預(yù)緊達到預(yù)密封條件的密封面，在內(nèi)壓作用下，由于壓力的軸向作用，密封面會產(chǎn)生分離，使密封條與密封面間的壓緊力減小，出現(xiàn)微縫隙，內(nèi)壓介質(zhì)有可能通過縫隙產(chǎn)生泄漏。為保證其密封，必須使密封條與密封面間保持足夠大的流體阻力，只有當其阻力能大于由介質(zhì)內(nèi)外壓差引起的推動力時，密封條方能密封而不產(chǎn)生泄漏。

(5)該電站封水環(huán)密封條設(shè)計止水原理。

①上密封條采用預(yù)壓封水環(huán)上螺栓，壓縮密封條，以保證密封條與座環(huán)工作面、封水環(huán)工作面緊密接合。當蝸殼水壓上升時，上法蘭面密封條在水壓作用下移動到密封槽外沿處，斷續(xù)受水壓作用，密封條向兩側(cè)變形，從而使密封條與座環(huán)工作面、封水環(huán)工作面更加緊密接合，達到止水的目的(圖2)。

圖2 上密封條受壓示意圖

②下密封條則是根據(jù)設(shè)計間隙保證密封條的壓縮量。當蝸殼加壓時，下鏜口密封條受水壓作用與壓板貼住，斷續(xù)受水壓作用，垂直作用于密封條表面的反作用力使密封條向兩側(cè)變形，從而使密封條與座環(huán)工作面、封水環(huán)工作面緊密接合，達到止水的目的(圖3)。

圖3 下密封條受壓示意圖

3 封水結(jié)構(gòu)缺陷分析

3.1 上密封結(jié)構(gòu)

(1)由于座環(huán)上法蘭面上預(yù)先鉆有工藝導(dǎo)孔，其節(jié)圓直徑為10 050 mm，孔徑為50 mm，而封水環(huán)上部密封槽最大外徑為10 000 mm。在水壓作用下，將有25 mm的密封條位于導(dǎo)孔上部。受水壓作用，密封條上部將與封水環(huán)槽面脫離而造成漏水。

(2)由于上部結(jié)構(gòu)在充水后而無手段將密封條再次壓緊，因此，一旦有漏水，需將蝸殼水放空后才能進行處理。

3.2 下密封結(jié)構(gòu)

(1)根據(jù)設(shè)計原理，下部密封是預(yù)先考慮封水環(huán)與座環(huán)間隙來保證密封條的壓縮量。一旦有漏水，通過調(diào)整壓板預(yù)緊力只能向上移動密封條而起不到壓縮密封條的作用，無法阻止漏水。

(2)由于封水環(huán)的圓度和座環(huán)下鏜口圓度影響，密封條的壓縮量不一定均勻而造成漏水。

3.3 密封條受力分析

根據(jù)封水環(huán)結(jié)構(gòu)，密封條四面受力，其中水壓方向為動壓力，垂直水壓方向為靜壓力。根據(jù)密封止水條件，表面上看靜壓力方向上密封條受力不再變化，初始封水就是靠靜壓力方向上的預(yù)壓力來達到封水目的的，但隨著水壓升高，密封條向壓板或密封外沿移動，最終水壓壓縮密封條向垂直水壓方向變形而起到封水的作用。實際上，因密封條為圓形，其受力為向心力，隨著水壓增加，密封條不會因此而向兩邊變形，起不到封水作用。

4 解決方法

根據(jù)密封條止水條件，結(jié)合上述分析和安裝圖，對上下密封結(jié)構(gòu)的止水結(jié)構(gòu)進行了以下技術(shù)改進。

4.1 上環(huán)密封

對設(shè)計原圖(圖4)進行了以下改裝(圖5)。

圖4 設(shè)計原圖

圖5 技改圖

(1)將原座環(huán)工藝導(dǎo)孔進行封堵，并保證與座環(huán)法蘭面同平面，從而保證密封條向外移動后不會因有空隙而造成密封條受力發(fā)生變化導(dǎo)致漏水。

(2)在座環(huán)上預(yù)焊一壓碼，如果還存在漏水現(xiàn)象，則用千斤頂增加密封條預(yù)壓力來阻止漏水。水壓試驗完畢，將壓碼割除打磨。

4.2 下環(huán)密封(圖6)

圖6 設(shè)計原圖

(1)在下環(huán)上止口處加裝一周寬30 mm、厚30 mm鋼性墊塊(圖7)，以保證壓板將密封條壓緊后壓板與封水環(huán)之間還預(yù)留有5～7 mm間隙。通過壓緊調(diào)整螺栓和在水封面加一周環(huán)形鋼墊的措施，改變了密封條由動壓受力方式轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓受力方式。

圖7 技改圖

(2)試驗時，當水壓升高，如果密封條兩側(cè)出現(xiàn)滲水不能保壓時，通過壓緊壓板上的螺栓來壓緊密封條，φ50密封條在上下受力時發(fā)生向兩側(cè)形變，使密封條與工作面緊密結(jié)合，從而達到止水效果。

5 結(jié)語

根據(jù)密封條安裝方式及止水條件，要達到止水效果，應(yīng)具備以下幾個條件:

(1)密封條的密封比壓力要達到臨界值以上;

(2)經(jīng)壓縮后的密封條其截面積應(yīng)大于密封槽面積。

在密封過程中，要有再次調(diào)整密封條壓縮量的手段。

通過對封水環(huán)結(jié)構(gòu)進行改進，官地水電站1號機蝸殼水壓試驗取得了良好的效果。在水壓上升到1.9 MPa時，下密封出現(xiàn)了局部滲水現(xiàn)象，通過壓緊下壓板后再無滲水。繼續(xù)升壓到試驗壓力2.125 MPa(設(shè)計值)且保壓30 min后，所有密封無一滲漏現(xiàn)象，試壓一次成功。

首臺機組的試驗成功，為后面幾臺機組蝸殼的水壓試驗提供了強有力的技術(shù)保證，本次技術(shù)改進得到了廠家、業(yè)主、監(jiān)理的好評，并提前了原計劃蝸殼混凝土澆筑直線工期5 d，為首臺機提前發(fā)電贏得了寶貴的工期，創(chuàng)造了間接經(jīng)濟效益。