糯扎渡電站蝸殼工地打壓試驗研究

張 濤

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

糯扎渡電站蝸殼工地打壓試驗研究

張 濤

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

蝸殼是水輪機(jī)的重要承壓部件，蝸殼的剛強(qiáng)度直接關(guān)系到整個電站的運(yùn)行安全。2010年9月，糯扎渡工地對VOITH SIEMENS制作的蝸殼進(jìn)行首臺機(jī)打壓試驗，當(dāng)蝸殼內(nèi)水壓力升至1.8MPa時，發(fā)現(xiàn)蝸殼進(jìn)口段中心線的最大位移達(dá)到57mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計許可范圍，從而造成工地打壓試驗被迫停止。2011年1月22日，工地對哈電機(jī)公司設(shè)計的蝸殼進(jìn)行首臺機(jī)打壓試驗，當(dāng)蝸殼內(nèi)水壓力升至4.2MPa時，蝸殼進(jìn)口段中心線的最大位移僅為 10.86mm，在設(shè)計許可范圍內(nèi)。本文主要對蝸殼斷面形狀進(jìn)行分析，通過對蝸殼斷面的對比研究，分析產(chǎn)生的原因，為預(yù)防類似事故的發(fā)生提供理論基礎(chǔ)。

蝸殼；打壓實驗；蝸殼中心；位移

1 前言

糯扎渡水電站位于云南省思茅縣與瀾滄縣交界處的瀾滄江下游干流上，是瀾滄江上一個以發(fā)電為主，同時兼顧防洪、改善下游航運(yùn)、漁業(yè)、旅游和環(huán)保作用，并對下游水電站起補(bǔ)償作用的特大型水電工程，系瀾滄江中下游河段規(guī)劃八個梯級中的第五級。電站采用地下廠房結(jié)構(gòu)，共裝9臺單機(jī)容量為650MW的水輪發(fā)電機(jī)組(其中哈電機(jī)公司6臺，VOITH SIEMENS公司3臺)。機(jī)組蝸殼采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，不考慮與混凝土聯(lián)合受力，能夠單獨承受最大水壓力，采用保壓澆筑混凝土，蝸殼流道形線和尺寸與模型水輪機(jī)相似。受廠房結(jié)構(gòu)的限制，距機(jī)組‘x’中心線7585mm以外的蝸殼進(jìn)口部分不參與保壓澆筑混凝土，但在此段蝸殼進(jìn)口上半部外表面鋪設(shè)彈性層。

1.1 水輪機(jī)蝸殼設(shè)計參數(shù)

1.1.1 VOITH SIEMENS公司蝸殼（如圖1所示）參數(shù)

設(shè)計最大水壓力：2.8MPa

工地靜水壓力試驗值：4.2MPa

蝸殼進(jìn)口直徑φ：7314mm

蝸殼澆注方式：工地保壓澆注蝸殼重量（單臺）：389770kg

蝸殼斷面形狀：圓+橢圓復(fù)合斷面（可能是為了減小X方向的機(jī)組寬度以及降低蝸殼重量）

1.1.2 哈電機(jī)公司蝸殼（如圖2所示）參數(shù)

設(shè)計最大水壓力：2.8MPa

工地靜水壓力試驗值：4.2MPa

蝸殼進(jìn)口直徑φ：7200mm

蝸殼澆注方式：工地保壓澆注蝸殼重量（單臺）：460175kg蝸殼斷面形狀：全圓斷面

圖1 VOITH SIEMENS公司蝸殼

圖2 哈電機(jī)公司蝸殼

1.2 VOITH SIEMENS公司蝸殼工地打壓試驗

2010年9月，糯扎渡工地對VOITH SIEMENS公司設(shè)計制造的蝸殼進(jìn)行首臺機(jī)打壓試驗（如圖3所示），圖中字母位置為測點位置，用來監(jiān)測蝸殼打壓過程中的變形量。通過對蝸殼位移進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測（如圖4所示），當(dāng)壓力升至1.8MPa時，發(fā)現(xiàn)蝸殼進(jìn)口段中心線最大位移達(dá)到 57mm，并在蝸殼內(nèi)水壓力逐漸升高過程中，進(jìn)口中心段位移將繼續(xù)增大。由于蝸殼位移過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計值，不能滿足工地澆筑混凝土的要求，業(yè)主擔(dān)心最終可能會導(dǎo)致蝸殼流道形狀結(jié)構(gòu)的改變，被迫停止工地打壓試驗，至使保壓澆注混凝土工期被推遲，嚴(yán)重影響工地整體工程進(jìn)度。

圖3 工地打壓試驗

圖4 工地打壓監(jiān)測裝置

2011年1月22日，糯扎渡工地對哈電機(jī)公司設(shè)計的蝸殼進(jìn)行打壓試驗，在試驗過程中，工地采用同樣的檢測裝置對蝸殼進(jìn)口中心位移進(jìn)行檢測，當(dāng)蝸殼內(nèi)壓力升至 1.8MPa時，蝸殼進(jìn)口部分頂部最大位移為4.62mm，僅為 VOITH SIEMENS公司蝸殼變形值的1/12；當(dāng)蝸殼內(nèi)壓力升至最大試驗壓力值4.2MPa時，蝸殼進(jìn)口部分頂部最大位移僅為10.86mm（如圖6所示），完全滿足設(shè)計要求。

圖5 VOITH SIEMENS蝸殼工地打壓試驗曲線

圖6 哈電機(jī)蝸殼工地打壓試驗曲線

2 蝸殼中心位移產(chǎn)生原因分析

國內(nèi)外電站經(jīng)常采用蝸殼工地打壓、保壓澆注混凝土方式，此澆注方式技術(shù)比較成熟，可以檢測水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量，測量蝸殼做水壓試驗的膨脹量及消除因焊接引起的焊接應(yīng)力，同時蝸殼中的水可帶走混凝土中的熱量，減小座環(huán)、蝸殼變形。

對于糯扎渡水電站，在蝸殼打壓過程中壓力值僅上升到 1.8MPa，遠(yuǎn)沒有達(dá)到蝸殼靜水壓力試驗值4.2MPa，此時VOITH SIEMENS公司的蝸殼進(jìn)口中心線位移達(dá)到 57mm，出現(xiàn)變形量過大現(xiàn)象，嚴(yán)重影響保壓澆注混凝土和將來機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。為了消除蝸殼變形過大給機(jī)組帶來的影響，首先應(yīng)該對變形產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。

在設(shè)計蝸殼過程中，需要考慮機(jī)組流道的光滑、機(jī)組的效率和蝸殼的應(yīng)力水平，為了降低成本，還需要考慮降低蝸殼整體重量。VOITH SIEMENS公司采用了特殊的蝸殼斷面形式，此斷面形式在國內(nèi)屬首次采用，國內(nèi)常采用圓斷面和橢圓斷面兩種斷面形式VOITH SIEMENS公司糯扎渡蝸殼采用橢圓與圓相結(jié)合的斷面結(jié)構(gòu)形式（如圖7所示），而哈電機(jī)公司糯扎渡蝸殼采用圓斷面結(jié)構(gòu)形式（如圖8所示）。

圖7 VOITH 蝸殼斷面結(jié)構(gòu)

圖8 哈電機(jī)蝸殼斷面結(jié)構(gòu)

在糯扎渡工地蝸殼打壓試驗中，對于橢圓與圓相結(jié)合的斷面結(jié)構(gòu)形式的蝸殼，在蝸殼內(nèi)部水壓作用下，斷面形狀將發(fā)生急劇變化，通過對此結(jié)構(gòu)在不同壓力條件下的有限元分析可以看出（圖9），有變成圓斷面的趨勢，最終導(dǎo)致蝸殼中心線嚴(yán)重偏離設(shè)計要求。對于采用圓斷面結(jié)構(gòu)形式的蝸殼，它的受力狀況要比其他結(jié)構(gòu)形式要好得多，圓斷面受內(nèi)部水壓蝸殼變形比較均勻，中心偏離設(shè)計值要小得多（圖10）。

3 處理方法

（1）水力設(shè)計階段，選用合適的斷面結(jié)構(gòu)形式。

（2）對于有工地打壓試驗要求的蝸殼，蝸殼進(jìn)口部分不宜采用橢圓、圓與橢圓相結(jié)合的斷面結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)采用受力狀況比較好的圓斷面結(jié)構(gòu)形式。

4 結(jié)束語

通過對蝸殼斷面型線和產(chǎn)生位移原因的對比分析研究，VOITH SIEMENS公司最終對其設(shè)計的3臺機(jī)蝸殼進(jìn)行修改，將進(jìn)口部分圓與橢圓相結(jié)合斷面全部割掉，更換成全圓斷面結(jié)構(gòu)，并重新進(jìn)行打壓試驗，蝸殼中心位移滿足設(shè)計要求，成功實現(xiàn)保壓澆注混凝土。

圖9 VOITH SIEMENS蝸殼在不同水壓條件下橢圓與圓相結(jié)合的斷面結(jié)構(gòu)形式X向變形

圖10 哈電機(jī)蝸殼在不同水壓條件下圓斷面結(jié)構(gòu)形式X向變形

電站實踐表明：對于工地需要進(jìn)行壓力試驗和保壓澆注混凝土的蝸殼，在選用蝸殼斷面結(jié)構(gòu)形式上需要特別謹(jǐn)慎；另外，在選擇蝸殼的材料及厚度時也需注意，以預(yù)防蝸殼工地打壓時蝸殼斷面變形量過大的事故再次發(fā)生。

審稿人：劉光寧

Bulge Test Research of Spiral Case In Nuo Zha Du Power Station

ZHANG TAO
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Spiral case is an important confined part of turbine, the stiffness and strength is directly related to the safe operation of the power station. In September, 2010, NUO ZHA Du power station put up bulge test on the first spiral case made by VOITH SIEMENS. When the water pressure is up to 1.8MPa, the maximum displacement of the spiral case inlet is up to 57mm, far beyond the permitted limits, and therefore, the bulge test was stop. In January 22, 2011, the NUO ZHA Du power station put up bulge test to the first spiral case made by HEC, when the water pressure is up to 4.2MPa, the maximum displacement of the spiral case inlet is only 10.86mm, within the scope of design permission. In this paper, we maily analyze the cross-section shape of the spiral case to find the causation through contrast research, in order to prevent the occurrence of similar accidents and provide a theoretical basis.

spiral case; bulge test; spiral case center; displacement

TK730.3+12

A

1000-3983(2012)02-0042-04

2011-05-11

張濤（1984-），2008年畢業(yè)于華中科技大學(xué)能源與動力工程專業(yè)，現(xiàn)從事產(chǎn)品設(shè)計工作，助理工程師。