清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑技術(shù)特點(diǎn)

周忠浩，熊建平（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

清遠(yuǎn)水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑技術(shù)特點(diǎn)

周忠浩，熊建平
（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

摘要：介紹了廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑技術(shù)特點(diǎn)，包括工裝設(shè)計(jì)、水壓試驗(yàn)和保壓澆筑流程及方法，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及有關(guān)問題作了闡述。

關(guān)鍵詞：水泵水輪機(jī)；水壓試驗(yàn)；保壓澆筑

1　前言

水泵水輪機(jī)運(yùn)行水頭和轉(zhuǎn)速往往都較高、工況轉(zhuǎn)換頻繁，為適應(yīng)水泵水輪機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，蝸殼通常需要進(jìn)行水壓試驗(yàn)并采用保壓澆筑。

蝸殼水壓試驗(yàn)在座環(huán)和蝸殼安裝、焊接及探傷檢查完畢后進(jìn)行，目的是驗(yàn)證蝸殼整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊縫質(zhì)量，同時(shí)也有消除焊接內(nèi)應(yīng)力的作用。

蝸殼保壓澆筑是指蝸殼內(nèi)充水并保持在某一水壓下澆筑蝸殼外圍混凝土，待蝸殼上層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可卸壓、拆除水壓試驗(yàn)及保壓澆筑設(shè)備。由于蝸殼保壓澆筑具有眾多優(yōu)點(diǎn)，在抽水蓄能電站機(jī)組中的應(yīng)用已越來越普遍。

本文對(duì)廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)及保壓澆筑工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水壓試驗(yàn)和保壓澆筑程序作了介紹，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和澆筑的一些問題作了分析討論。

2　蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1主要參數(shù)

水泵水輪機(jī)額定水頭:470m；

水泵水輪機(jī)最大揚(yáng)程:509m；

蝸殼設(shè)計(jì)壓力:7.64MPa；

蝸殼水壓試驗(yàn)壓力:11.47MPa；

蝸殼保壓澆筑壓力:3.8MPa；

封堵筒環(huán)直徑:φ6 000mm；

封堵筒環(huán)高度:548.5mm。

2.2主要結(jié)構(gòu)

蝸殼、座環(huán)、頂蓋底環(huán)和封堵筒環(huán)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1　蝸殼外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2　蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3封堵筒環(huán)

根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，封堵筒環(huán)主要可考慮以下兩種結(jié)構(gòu)方案。

（1）封堵筒環(huán)裝在頂蓋和底環(huán)之間

封堵筒環(huán)裝在頂蓋和底環(huán)之間，結(jié)構(gòu)方案如圖3所示，該方案的優(yōu)點(diǎn)是封堵筒環(huán)高度方向尺寸小，結(jié)構(gòu)重量輕，不需要另外制作頂蓋與座環(huán)連接用的試驗(yàn)專用螺栓，制作成本低。缺點(diǎn)是頂蓋分瓣面上需要增加一道密封，密封條相交處容易漏水。

圖3　封堵筒環(huán)結(jié)構(gòu)（方案一）

（2）封堵筒環(huán)裝在座環(huán)和底環(huán)之間

封堵筒環(huán)裝在座環(huán)和底環(huán)之間結(jié)構(gòu)方案如圖4所示。封堵筒環(huán)上部直接與座環(huán)配合形成一道端面密封，頂蓋吊放在封堵筒環(huán)上面，并通過螺栓將頂蓋與座環(huán)連接固定，用于平衡封堵筒環(huán)內(nèi)向上的水壓力，并壓緊封堵筒環(huán)和座環(huán)及底環(huán)間的密封條。

此方案最大優(yōu)點(diǎn)是密封可靠，頂蓋分瓣面不需要為水壓試驗(yàn)額外增加一道密封。同時(shí)增大了灌漿（或排氣）管路安裝空間，方便管路安裝。

圖4　封堵筒環(huán)結(jié)構(gòu)（方案二）

經(jīng)綜合比較，最終確定采用方案二進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.4灌漿排氣管路

對(duì)于需要通過蝸殼內(nèi)部灌漿（或排氣）管路，一般采用現(xiàn)場(chǎng)配管焊接的方法。

清遠(yuǎn)機(jī)組蝸殼內(nèi)空間較小，現(xiàn)場(chǎng)配管施焊困難。初步方案為采用高壓軟管連接方式(如圖5所示),采用此方案對(duì)蝸殼座環(huán)灌漿孔和排氣孔加工位置度要求較低，現(xiàn)場(chǎng)安裝也較為便利。

圖5　灌漿（或排氣）管路采用軟管結(jié)構(gòu)方案

但高壓軟管難以承受保壓澆筑時(shí)的外部水壓,最終確定采用硬管方案，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。由于一套工具需用于多臺(tái)機(jī)組，廠內(nèi)不作整體預(yù)裝，硬管采用徑向可調(diào)連接，連接孔在高度和圓周方向需保證尺寸精度。現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)果表明，此方案安裝較為方便，是可行的。

圖6　灌漿（或排氣）管路采用硬管結(jié)構(gòu)方案

3　水壓試驗(yàn)

蝸殼水壓試驗(yàn)是先通過悶蓋上的注水孔向蝸殼內(nèi)充水，再用增壓泵分階段打壓至11.47MPa并保持30min，最后再分階段泄壓。

蝸殼水壓試驗(yàn)包括悶蓋和封堵筒環(huán)安裝，進(jìn)人門及測(cè)壓孔等封堵、水壓試驗(yàn)管路系統(tǒng)安裝，蝸殼充水，升壓試驗(yàn)，蝸殼排水、悶蓋和封堵筒環(huán)拆除等工作。

3.1蝸殼水壓試驗(yàn)前準(zhǔn)備

（1）蝸殼內(nèi)支撐解除、內(nèi)部清掃并點(diǎn)檢

因蝸殼采用高強(qiáng)度鋼板，拆除支撐時(shí)需使用打磨機(jī)慎重地除去。氣刨，氣割會(huì)對(duì)母材造成意想不到的嚴(yán)重影響，所以嚴(yán)禁使用。

拆除支撐后，周圍用打磨機(jī)加工平滑，進(jìn)行浸透探傷檢查（PT）確認(rèn)無異常，深傷范圍為焊接部至外側(cè)50mm。

（2）安裝蝸殼進(jìn)口法蘭悶蓋

在密封槽安裝O型密封條時(shí)，為了防止密封條脫落，在密封槽涂抹硅系列液體狀填料或者合成橡膠系的粘合劑固定O型密封條。

（3）安裝水壓試驗(yàn)管路系統(tǒng)

上述工作完成后安裝水壓試驗(yàn)管路。

（4）關(guān)閉蝸殼進(jìn)人門

必須在多人檢查確認(rèn)蝸殼內(nèi)部沒有作業(yè)人員之后再進(jìn)行。

3.2水壓試驗(yàn)原理

蝸殼水壓試驗(yàn)原理如圖7所示。

圖7　水壓試驗(yàn)原理圖

3.3水壓試驗(yàn)壓力曲線

水壓試驗(yàn)按水壓試驗(yàn)壓力曲線要求進(jìn)行升壓、保壓和卸壓。（如圖8所示）

圖8　水壓試驗(yàn)壓力曲線

在整個(gè)水壓試驗(yàn)過程中，升壓和降壓速度不大于0.15MPa/min。

水壓試驗(yàn)完成后，需要排空蝸殼、座環(huán)內(nèi)部的試驗(yàn)用水，打開蝸殼進(jìn)人門，對(duì)內(nèi)部進(jìn)行通風(fēng)和干燥處理。對(duì)座環(huán)和頂蓋進(jìn)行必要的防護(hù)處理，法蘭面和螺紋孔等機(jī)加工面涂防銹油，防止生銹。

4　保壓澆筑

4.1保壓澆筑基本參數(shù)

保壓壓力：50%的設(shè)計(jì)水壓（3.8MPa）；

保壓時(shí)間：至混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%；

澆筑速度：小于300mm/h；

灌漿壓力：0.2～0.3MPa。

4.2保壓澆筑的作用

蝸殼保壓澆筑主要有以下一些作用：

（1）蝸殼與外包混凝土之間的荷載分配比例可以根據(jù)需要選擇，而且荷載分配明確可靠，可以保證水泵水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)混凝土承受一定比例的較小載荷，適當(dāng)減小蝸殼外鋼筋鋪設(shè)量。

（2）利用外包混凝土聯(lián)合承載有利于保證蝸殼的整體剛度和抗振性能，減小蝸殼及座環(huán)變形，有利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）澆筑時(shí)蝸殼內(nèi)不需要內(nèi)部支撐，可減小內(nèi)部加設(shè)澆筑支撐的成本。

（4）蝸殼內(nèi)充水重力可抵消澆筑混凝土?xí)r蝸殼部分上浮力，蝸殼拉錨布置數(shù)量可適當(dāng)減少。

4.3保壓澆筑程序

4.3.1澆筑混凝土前的檢查

（1）檢查安裝記錄有無異常數(shù)據(jù)、有無漏記錄項(xiàng)目。

（2）檢查尾水錐管周邊、底環(huán)周邊、蝸殼周邊。

（3）檢查螺栓的緊固狀態(tài)。

（4）檢查調(diào)整螺栓、松緊螺旋扣、楔子板的止動(dòng)狀態(tài)。

（5）檢查埋管路線、管路焊縫狀態(tài)、支撐的安裝狀態(tài)、盲法蘭的安裝狀態(tài)等。

（6）測(cè)量底環(huán)抗磨板面的水平度，并記錄。

4.3.2混凝土澆筑準(zhǔn)備

澆筑前在蝸殼外部按不同受力部位布置加固鋼筋。外側(cè)加固鋼筋可一次性安裝完成，也可根據(jù)需要進(jìn)行安裝。

安裝灌漿和排氣用的管路。

蝸殼上部要架設(shè)水平梁和水平儀監(jiān)測(cè)澆筑時(shí)的傾斜、位移變化情況。

4.3.3混凝土澆筑

澆筑混凝土?xí)r要防止蝸殼座環(huán)傾斜，不能對(duì)固定金屬零部件類及埋管等施加有害外力（澆筑混凝土?xí)r的沖擊、振搗器的振動(dòng)等）。

在澆筑過程中蝸殼內(nèi)充水壓力始終要保持3.7～3.9MPa之間，保壓澆筑混凝土?xí)r間較長(zhǎng)，要求專人記錄壓力變化情況，壓力降至偏差范圍時(shí)需及時(shí)啟動(dòng)泵增壓；若混凝土固化時(shí)產(chǎn)生的熱量使蝸殼內(nèi)部水壓上升至偏差范圍時(shí)，應(yīng)及時(shí)泄壓至規(guī)定值。升壓降壓的速度在0.15MPa/min以內(nèi)。

對(duì)蝸殼內(nèi)加壓時(shí)，要配置壓力監(jiān)管員，記錄并監(jiān)測(cè)蝸殼內(nèi)壓力的變化及水溫的變化。

為防止座環(huán)變形等情況發(fā)生，混凝土澆筑上升速度應(yīng)為200～300 mm/h，每層澆筑高度一般為0.8～1.0m，澆筑應(yīng)對(duì)稱、分層、分塊進(jìn)行。液態(tài)混凝土的高度一般控制在0.3m左右。兩層混凝土的澆筑時(shí)間間隔需保證上層混凝土的靜水壓力不會(huì)傳遞給蝸殼。

澆筑混凝土?xí)r在底環(huán)抗磨板面上放置角式水平儀，測(cè)量并監(jiān)測(cè)水平度有否變化。在蝸殼的進(jìn)口封頭處布置百分表監(jiān)視蝸殼的位移。按實(shí)際情況調(diào)整混凝土澆筑順序及澆筑速度。

4.3.4底環(huán)、蝸殼周邊灌漿作業(yè)

澆筑混凝土后，應(yīng)放置一段時(shí)間使其硬化，之后再實(shí)施灌漿作業(yè)。由于可能會(huì)發(fā)生突然升壓等意外事故，應(yīng)時(shí)常監(jiān)測(cè)澆筑壓力。另外，還要測(cè)量并記錄底環(huán)水平度。

灌漿作業(yè)完成后，要確保硬化保養(yǎng)時(shí)間。

4.3.5拆卸蝸殼保壓澆筑工裝

混凝土澆筑工作結(jié)束后，蝸殼內(nèi)水壓需保持20～25 d，待蝸殼上層混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度后方可卸壓拆除水壓試驗(yàn)設(shè)備。

5　水壓試驗(yàn)情況

清遠(yuǎn)1號(hào)機(jī)蝸殼現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)于2013年2月5日進(jìn)行，試驗(yàn)從下午14∶40開始至晚20∶40順利完成。雖然總體上比較順利，也有一些今后需要注意的地方。

5.1灌漿孔絲堵漏水原因及解決方案

在水壓試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)灌漿孔絲堵有多處出現(xiàn)滴水現(xiàn)象，但漏水沒有隨著壓力升高而增多，分析原因，是由于絲堵為直螺紋絲堵，密封不良。作為對(duì)策，絲堵外加焊一塊封板，并作焊縫PT探傷檢查，保證不漏水。

5.2試壓泵容量問題

清遠(yuǎn)1號(hào)機(jī)蝸殼現(xiàn)場(chǎng)水壓試驗(yàn)升壓花費(fèi)約5.5h，時(shí)間偏長(zhǎng)。

設(shè)計(jì)選用一臺(tái)功率為3 kW、壓力16MPa，流量150 L/h的四缸柱塞試壓泵，容量偏小。而市場(chǎng)上壓力等級(jí)16MPa的試壓泵規(guī)格有限，流量再大一點(diǎn)的試壓泵流量都在1000 L/h以上，不適用。

為了加快升壓速度，縮短試驗(yàn)時(shí)間，采用增加一臺(tái)同型號(hào)試壓泵方法，在耐壓試驗(yàn)時(shí)二臺(tái)泵并聯(lián)共同打壓，而在保壓澆筑時(shí)只用其中一臺(tái)即可。

二臺(tái)泵共同打壓需要的升壓時(shí)間約2.5 h，從升壓時(shí)間上看較為理想。

6　結(jié)語

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)蝸殼水壓試驗(yàn)最大壓力值為11.47MPa，蝸殼澆筑保壓壓力值為3.8MPa。進(jìn)行如此高壓力的蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑，對(duì)設(shè)計(jì)、制造和安裝都是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

清遠(yuǎn)蝸殼水壓試驗(yàn)和保壓澆筑的順利完成，進(jìn)一步驗(yàn)證并完善了東芝水電水泵水輪機(jī)水壓試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)今后類似機(jī)組的設(shè)計(jì)制作具有參考借鑒作用。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張勝平，劉加華，孟志杰，等.高水頭蝸殼水壓試驗(yàn)技術(shù)研究[C].抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2007.

中圖分類號(hào)：TK730.3+12

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）02-0048-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.013

收稿日期：2014-10-15

作者簡(jiǎn)介：周忠浩（1967-），男，工程師，從事水輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。