淺析立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)蝸殼耐壓試驗(yàn)

劉旭林

（廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340）

淺析立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)蝸殼耐壓試驗(yàn)

劉旭林

（廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340）

巴基斯坦帕春水電站為引水式電站，引水系統(tǒng)為一管三機(jī)，最高水頭為115.47 m，蝸殼額定工作壓力為1.6 MPa。因是韓國(guó)K-WATER首次涉足國(guó)外第一個(gè)水電BOT項(xiàng)目，首次采用來(lái)自中國(guó)的機(jī)組設(shè)備，對(duì)機(jī)組的設(shè)備性能不是很放心。業(yè)主方要求現(xiàn)場(chǎng)做此項(xiàng)試驗(yàn)，驗(yàn)證蝸殼承載力是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確保電站機(jī)組日后運(yùn)行安全。

帕春水電站；立軸混流機(jī)組；水機(jī)蝸殼；水壓試驗(yàn)

1 前言

1.1 電站概述

帕春水電站位于巴基斯坦克什米爾特區(qū)Muzaffarabad市，下游約2 km杰赫勒姆河的左岸。電站廠房?jī)?nèi)安裝3臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組最大水頭為115.47 m，額定水頭為107.3 m，最小水頭為106.24 m，額定流量為51.22 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為300r/min，水力推力為1210kN，額定輸出51026kW。1.2蝸殼主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

帕春電站壓力鋼管進(jìn)水口工作壓力1.6 MPa，試驗(yàn)壓力2.4 MPa。水輪機(jī)蝸殼設(shè)計(jì)包角328°，全蝸殼管共23節(jié)，采用Q345R鋼板卷制，板厚20～30 mm不等，座環(huán)和殼體總重50 t。整個(gè)蝸殼共分六大段，有兩大段每段由九節(jié)組焊成型，其余為單節(jié)。蝸殼均為圓形斷面，以蝸殼管節(jié)腰線中心點(diǎn)作為管節(jié)中心和水平高程安裝調(diào)整的控制點(diǎn)。

2 蝸殼耐壓試驗(yàn)及檢測(cè)

2.1 蝸殼水壓試驗(yàn)的目的和方法

（1）帕春水電站水輪機(jī)蝸殼采用保壓澆筑施工工藝。金屬蝸殼耐壓試驗(yàn)是對(duì)座環(huán)、蝸殼的承載力的驗(yàn)證，以確保座環(huán)、殼體在各種工況下運(yùn)行安全；水壓試驗(yàn)還可以消除和改善部分焊接應(yīng)力，使殼體應(yīng)力分布更趨于均勻。也是對(duì)業(yè)主方所提出的要求兌現(xiàn)。

（2）水壓試驗(yàn)從零壓開(kāi)始，以每分鐘0.2 MPa的速度給蝸殼加壓；升至1.0 MPa，保持30 min，檢查有無(wú)異?，F(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況；升至2.0 MPa，保持30 min，檢查有無(wú)異常現(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況；當(dāng)壓力升至2.4 MPa,保持30 min，檢查有無(wú)異常現(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況。降壓時(shí)蝸殼內(nèi)水壓以相同的速度在以上幾個(gè)工況點(diǎn)逐漸下降，并逐點(diǎn)記錄每個(gè)工況點(diǎn)的變形。試驗(yàn)完成后將水壓升至1.0 MPa保壓澆筑混凝土。蝸殼水壓試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 蝸殼水壓試驗(yàn)圖

2.2 蝸殼水壓試驗(yàn)百分表監(jiān)測(cè)布置

水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測(cè)按廠家提供的方案進(jìn)行，根據(jù)監(jiān)測(cè)方案制作安裝百分表表架，水壓試驗(yàn)百分表監(jiān)測(cè)位置分布:直管段垂直、水平；座環(huán)法蘭上環(huán)板軸向、徑向；蝸殼體軸線方向的垂直、水平。監(jiān)測(cè)位置見(jiàn)圖2。

2.3 蝸殼水壓試驗(yàn)準(zhǔn)備工作

帕春電站2號(hào)機(jī)組蝸殼水壓試驗(yàn)前，先檢查各閥門安裝是否正確及是否打開(kāi)，檢查水壓試驗(yàn)設(shè)備安裝、運(yùn)行是否可靠。根據(jù)測(cè)點(diǎn)位架設(shè)百分表，表針并調(diào)至5.00 mm，作初始監(jiān)測(cè)記錄。對(duì)蝸殼進(jìn)行注水，根據(jù)水位情況記錄百分表測(cè)量值，巡視蝸殼體各密封滲漏情況，注滿水后關(guān)閉上、下閥門，記錄百分表測(cè)量值，將注滿水的蝸殼體擺放12 h，擺放足時(shí)后檢查殼體有無(wú)滲漏現(xiàn)象，并記錄百分表測(cè)量值。

圖2 蝸殼百分表監(jiān)測(cè)位置

2.4 水壓試驗(yàn)

（1）升壓試驗(yàn)

2015年9月13日室外溫度35℃，水壓試驗(yàn)水溫15℃。水壓試驗(yàn)從零壓開(kāi)始升壓，以每分鐘0.2MPa的速度用打壓泵給蝸殼升壓，壓力升至1.0 MPa時(shí)停止加壓，關(guān)閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異?，F(xiàn)象，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量殼體溫度，意外發(fā)現(xiàn)第一節(jié)直管段殼體溫度有變化，并記錄溫度及百分表測(cè)量變形情況；足時(shí)后開(kāi)啟泵前閥門，啟動(dòng)加壓泵以每分鐘0.2 MPa的速度升壓至2.0 MPa，停泵關(guān)閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異?，F(xiàn)象，測(cè)量并記錄溫度、變形情況；足時(shí)后開(kāi)啟泵前閥門，啟動(dòng)加壓泵以每分鐘0.2 MPa的速度升壓至2.4 MPa,停泵關(guān)閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異?，F(xiàn)象，測(cè)量并記錄溫度、變形情況。蝸殼管節(jié)圖見(jiàn)圖3。

圖3 蝸殼管節(jié)布置

（2）降壓試驗(yàn)

升壓試驗(yàn)完成后開(kāi)啟泵前閥門，打開(kāi)加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至2.0 MPa,先關(guān)閉卸載閥然后關(guān)泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異常現(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況；足時(shí)后開(kāi)啟泵前閥門，打開(kāi)加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至1.0 MPa,先關(guān)閉卸載閥然后關(guān)泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異常現(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況；足時(shí)后開(kāi)啟泵前閥門，打開(kāi)加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至0 MPa，先關(guān)閉卸載閥然后關(guān)泵前閥門保壓30 min，檢查有無(wú)異常現(xiàn)象，測(cè)量并記錄變形情況。

（3）保壓檢查

打開(kāi)泵前閥門啟泵升壓至1.0 MPa，關(guān)閉泵前閥門保壓。再次檢查座環(huán)的中心、高程、平面度等符合要求，重新加固座環(huán)，使座環(huán)在澆筑混凝土?xí)r盡可能減小變形。保壓并等待澆筑混凝土。

3 水壓試驗(yàn)原因分析

（1）從水壓試驗(yàn)溫升數(shù)據(jù)看（見(jiàn)表1），蝸殼體第1節(jié)溫升變化較大，第3節(jié)溫度稍有變化，末端第24節(jié)溫度變化甚微?？梢钥闯隹看驂罕迷浇鼫囟茸兓矫黠@，因打壓泵在加壓做功時(shí)，壓力越高摩擦力越大，因摩擦所產(chǎn)生的熱量傳遞給加壓的水，致使加壓注入的水，熱量向四處擴(kuò)散傳熱，導(dǎo)致較近的幾節(jié)管溫度上升，第13節(jié)管至末端23節(jié)傳熱緩慢溫升變化較小，由于水壓試驗(yàn)工作時(shí)間較長(zhǎng)，室外日照度強(qiáng)氣溫不斷升高，引起殼體正表面溫度有所上升，因蝸殼水容量大傳熱效果慢，上升溫度不大可忽略不計(jì)。

表1 蝸殼水壓試驗(yàn)時(shí)溫度變化 單位：℃

（2）管道熱膨脹量計(jì)算公式ΔL=αLΔt，Q345R的熱膨脹系數(shù)α=1.06×10-5，按蝸殼體測(cè)量區(qū)域每平方米溫升1℃（長(zhǎng)度L=1m），殼體徑向膨脹變形量ΔL=αLΔt=1.06×10-5×1×1=0.0106 mm。通過(guò)對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，第1節(jié)管節(jié)測(cè)得溫度最高溫差為：Δt=8℃，熱膨脹變形量為0.085mm。

（3）根據(jù)此熱膨脹變形量計(jì)算出，因建壓產(chǎn)生的上升溫度，而導(dǎo)致變形所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力σ=E×(△L/L) =17 MPa；Q345R鋼板的屈服強(qiáng)度則是345 MPa，因此內(nèi)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，建壓所產(chǎn)生的溫度變形內(nèi)應(yīng)力對(duì)打壓試驗(yàn)影響不大。

圖4 水壓試驗(yàn)百分表量測(cè)曲線圖

（4）從水壓試驗(yàn)百分表測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)所顯示的壓力和變形量關(guān)系的曲線圖分析（見(jiàn)圖4），從測(cè)點(diǎn)9號(hào)表至17號(hào)表的測(cè)量數(shù)據(jù)均比較理想，只有座環(huán)法蘭里襯環(huán)板測(cè)點(diǎn)-Y位置3號(hào)表、-X位置7號(hào)表，及直管段-X位置18號(hào)表記錄數(shù)據(jù)均為負(fù)值；原因分析認(rèn)為蝸殼體是由若干段小節(jié)組合焊接而成，焊接內(nèi)應(yīng)力不能夠完全釋放，在加壓的過(guò)程中可能會(huì)在某區(qū)域某位置形成逆向變形狀態(tài)出現(xiàn)；連貫整個(gè)法蘭量測(cè)數(shù)據(jù)，及自身量測(cè)壓力變化數(shù)據(jù)過(guò)程看，從升壓到降壓回零曲線顯示沒(méi)有突變峰值或線性不對(duì)稱現(xiàn)象，故認(rèn)為是殘余應(yīng)力所致且變形量較小，在廠家設(shè)計(jì)要求允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

蝸殼水壓試驗(yàn)對(duì)設(shè)備本體的設(shè)計(jì)、制造、安裝及整體性能成功地進(jìn)行了驗(yàn)證，為確保蝸殼引水系統(tǒng)安全運(yùn)行提供了有力的依據(jù)；本次水壓試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)符合廠家設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)和合同技術(shù)要求。

[1]趙金城.高溫下鋼材力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000.30（4）26-28.

[2]馬能武，唐培武，葛培清，等.粘土心墻堆石壩施工初期滲流控制及滲后監(jiān)測(cè)[J].人民長(zhǎng)江,2014,41(20):82-85.

TK730.3+12

B

1672-5387（2017）08-0011-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.004

2017-05-23

劉旭林（1971—），男，工程師，從事機(jī)電安裝技術(shù)工作。