二灘水電站尾水管錐管鋼襯脫空原因分析及處理

楊銀輝，韓先宇，閔四海，吳文勇

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都，610051）

1 概述

二灘水電站以發(fā)電為主，廠房布置在地下，共安裝了6臺(tái)單機(jī)容量為550 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭165 m。尾水管類型為金屬窄高型彎肘尾水管，尾水管錐管進(jìn)口至底板高19.545 m，錐管段進(jìn)口至肘管水平部位均裝設(shè)了厚度為25 mm的金屬里襯，其中錐管段進(jìn)口及其以下0.5 m區(qū)域金屬里襯材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼板，其余部位金屬里襯材質(zhì)為Q235-B碳鋼板。尾水管混凝土由菲力浦·霍爾茲曼-霍克梯央-葛洲壩工程局組成的聯(lián)營(yíng)體（SGEJV）負(fù)責(zé)施工，為防止鋼里襯變形或移位，混凝土澆筑采用分層澆筑方式，共分10次進(jìn)行澆筑?；炷琳駬v采用人工平倉(cāng)，利用插入式軟軸振動(dòng)棒和鋼模表面附著式振搗器輔助振搗的方法。尾水管主要采用刷養(yǎng)護(hù)劑的方法進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù)。

2 尾水管錐管段鋼襯脫空情況

電站首臺(tái)機(jī)組于1998年8月投入運(yùn)行，后續(xù)5臺(tái)機(jī)組在一年內(nèi)相繼投入運(yùn)行，至今已投運(yùn)近20年。歷年水輪發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)，均采用錘擊法對(duì)尾水管鋼襯與混凝土脫空情況進(jìn)行了詳細(xì)檢查。檢查發(fā)現(xiàn)1～6號(hào)機(jī)錐管段均出現(xiàn)了不同程度的鋼襯與混凝土脫空現(xiàn)象，脫空面積為0.06～1.08 m2，多數(shù)脫空面積較小，通常在1 m2以下，大小不等，且各脫空點(diǎn)一般不互相連通。從脫空的位置和范圍看，主要集中在尾水管進(jìn)人門(mén)周邊及其以上區(qū)域。2016～2017年尾水管錐管段脫空部位素描圖見(jiàn)圖1，圖中1 872 cm為尾水管錐管段沿尾水管進(jìn)人門(mén)中心的展開(kāi)長(zhǎng)度。

圖1 1～6號(hào)機(jī)尾水管錐管典型脫空素描圖Fig.1 Sketch drawing of the typical voiding of draft tube of the units 1～6

3 錐管段鋼襯與混凝土脫空原因分析

3.1 尾水管里襯布置方式分析

根據(jù)每年脫空的位置和范圍看，脫空的范圍主要集中在尾水管進(jìn)人門(mén)周邊及其以上區(qū)域，經(jīng)查閱相關(guān)圖紙，尾水管錐管段上部50 cm為不銹鋼里襯與混凝土連接，沒(méi)有布置錨筋及筋板，這造成不銹鋼里襯與周邊混凝土結(jié)構(gòu)整體性不強(qiáng)，在強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)縫隙更容易張開(kāi)引起脫空，而在這以下的錐管鋼襯與混凝土連接均布置了大量錨筋。在振動(dòng)時(shí)，尾水進(jìn)人門(mén)背后沒(méi)有混凝土的支撐作用，同時(shí)尾水進(jìn)人門(mén)周邊區(qū)域由于摩擦造成的粉末容易從尾水管進(jìn)人門(mén)周邊縫排出，因此尾水進(jìn)人門(mén)周邊更容易脫空。

3.2 混凝土施工工藝分析

機(jī)組尾水管肘管和錐管鋼襯外側(cè)混凝土為二期混凝土澆筑。為防止鋼襯變形及移位，混凝土澆筑采用分層澆筑方式，共分10次進(jìn)行澆筑，單次澆筑高度約1.5 m，澆搗縱深大，同時(shí)鋼襯外側(cè)布置了較多縱向錨筋，澆筑時(shí)振搗不密實(shí)或混凝土終凝后收縮等因素，導(dǎo)致尾水管施工時(shí)鋼襯背部可能存在空隙。

3.3 水輪機(jī)運(yùn)行方式分析

二灘水電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，機(jī)組常在非最優(yōu)工況和低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，當(dāng)機(jī)組采取這種方式運(yùn)行時(shí)，尾水管中水流脈動(dòng)壓力較大，會(huì)引起尾水管強(qiáng)烈振動(dòng)。圖2為尾水錐管水壓脈動(dòng)分布圖（以5號(hào)機(jī)為例），通過(guò)圖2可發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)組出力的逐漸增大，尾水管錐管水壓脈動(dòng)極值總體呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，在接近設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，尾水管水壓脈動(dòng)達(dá)到最小值且變化平穩(wěn)。圖3為機(jī)組下導(dǎo)擺度分布圖（以5號(hào)機(jī)為例），通過(guò)對(duì)比尾水管錐管段的壓力脈動(dòng)與機(jī)組下導(dǎo)擺度發(fā)現(xiàn)，壓力脈動(dòng)和下導(dǎo)擺度的變化趨勢(shì)是不同的。在小負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)出現(xiàn)最大值時(shí)，下導(dǎo)擺度在此區(qū)域內(nèi)較小，在機(jī)組出力處于100～150 MW范圍內(nèi)時(shí)達(dá)到最大。其原因是機(jī)組處于小負(fù)荷區(qū)時(shí)，水壓脈動(dòng)頻率不統(tǒng)一，且以中頻和高頻為主，此時(shí)尾水管中水流為紊亂狀態(tài)，水壓脈動(dòng)主要通過(guò)噪聲的方式來(lái)釋放能量，出現(xiàn)常聽(tīng)到的“放炮聲”。隨著機(jī)組負(fù)荷的增加，壓力脈動(dòng)變?yōu)閱我活l率，水流也就從紊亂狀態(tài)變?yōu)橛行驙顟B(tài)，從而形成周期性渦帶，渦帶產(chǎn)生的強(qiáng)大偏心力會(huì)帶動(dòng)機(jī)組產(chǎn)生擺動(dòng)。渦帶的旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)恰好位于尾水管進(jìn)人門(mén)上方，旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)會(huì)引起尾水管強(qiáng)烈振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間的強(qiáng)烈振動(dòng)容易引起尾水管鋼襯與混凝土的脫離。同時(shí)，鋼襯與混凝土是兩種不同的材質(zhì)，在振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)頻率，發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起鋼襯與混凝土的摩擦，鋼襯后面的混凝土和水泥結(jié)石被磨成粉末，從尾水管進(jìn)人門(mén)周邊縫滲出，進(jìn)一步加劇脫空部位的發(fā)展。

圖2 尾水錐管水壓脈動(dòng)分布圖Fig.2 Distribution diagram of water pressure fluctuation in draft tube of tailpipe

圖3 機(jī)組下導(dǎo)擺度分布圖Fig.3 Distribution of the oscillating degree of the unit

4 灌漿材料的選擇

二灘水電站曾對(duì)機(jī)組尾水錐管鋼襯脫空部位進(jìn)行過(guò)水泥接觸灌漿處理，漿液水泥等級(jí)為42.5及以上，灌漿壓力小于0.1 MPa，漿液水灰比為0.8和0.6兩個(gè)比級(jí)，且加入了減水劑。根據(jù)投產(chǎn)以來(lái)近十年的情況，灌漿處理的機(jī)組運(yùn)行一年后復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)脫空現(xiàn)象改善不理想，甚至每年都有新增脫空點(diǎn)。結(jié)合規(guī)程規(guī)范，參考已建工程處理經(jīng)驗(yàn)，主要原因在于，機(jī)組小修時(shí)間短，一般只有15 d左右，期間進(jìn)行灌漿后，水泥結(jié)石強(qiáng)度較低，機(jī)組運(yùn)行后很容易馬上脫空。此外，普通水泥接觸灌漿難以達(dá)到理想效果，而化學(xué)灌漿材料因可調(diào)節(jié)各組分配比而具有良好的可控性，且其良好的擴(kuò)散性使其更容易灌入脫空間隙中，故采用化學(xué)材料進(jìn)行鋼襯脫空區(qū)域灌漿更為合理。

環(huán)氧樹(shù)脂和聚氨酯都可用于尾水管鋼襯接觸灌漿，但兩種灌漿材料的側(cè)重點(diǎn)不同。環(huán)氧樹(shù)脂在補(bǔ)強(qiáng)方面成效顯著，同時(shí)也能起到填充的作用；聚氨酯由于其自身體積可以在短時(shí)間內(nèi)劇烈膨脹，所以它是一種很好的填充材料，在補(bǔ)強(qiáng)方面次之，因此選用環(huán)氧樹(shù)脂作為化學(xué)灌漿材料更合適。

5 灌漿施工工藝

5.1 化學(xué)灌漿材料性能要求

環(huán)氧樹(shù)脂漿液組分主要為環(huán)氧樹(shù)脂，并加入一定比例的固化劑、增韌劑、促進(jìn)劑和稀釋劑。為滿足要求，環(huán)氧灌漿材料特性需滿足表1和表2條件。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂材料漿液性能表Table 1 Properties of epoxy resin slurry

表2 環(huán)氧樹(shù)脂材料固化劑特性表Table 2 Properties of the curing agent in epoxy resin

5.2 脫空區(qū)域確認(rèn)

灌漿前仍采用錘擊法檢查脫空部位，敲擊人員應(yīng)確定初次普查的鋼襯脫空部位邊界。敲擊鋼襯時(shí)應(yīng)選定一人，中途不得換人，且整個(gè)敲擊過(guò)程中應(yīng)采用同一材質(zhì)構(gòu)成的錘子的同一錘頭進(jìn)行敲擊，避免發(fā)生因敲擊錘頭不同或不同棱角交替敲擊造成的錘擊聲音不一致，從而導(dǎo)致脫空區(qū)域邊界確定不準(zhǔn)確。在需要鉆孔灌漿的脫空區(qū)域，要加大鐵錘的敲擊密度，避免因?qū)γ摽諈^(qū)域面積估算偏差較大導(dǎo)致漿量準(zhǔn)備不充分、影響灌漿連續(xù)性的問(wèn)題，同時(shí)可避免將兩個(gè)相鄰脫空區(qū)域誤劃為一個(gè)區(qū)域，導(dǎo)致后續(xù)灌漿不順利。

5.3 布孔鉆孔

在布設(shè)鉆孔時(shí)，每個(gè)脫空區(qū)域最少布置2個(gè)鉆孔，布孔應(yīng)包含但不限于脫空部位的最低點(diǎn)和最高點(diǎn)。布孔時(shí)應(yīng)根據(jù)錘擊聲音判斷該處脫空的深淺，以便增加該處開(kāi)孔的可灌性，避免出現(xiàn)灌漿時(shí)因無(wú)法排氣造成的灌漿不順暢。鉆孔的布置原則是在滿足規(guī)范的前提下，盡量減少鉆孔數(shù)量，減小鉆孔孔徑，以減少鋼襯破壞。鉆孔的布置位置要避開(kāi)鋼襯接頭、加筋環(huán)等部位。

5.4 灌前清孔

為了清除鋼襯脫空部位的粉末和積水，并檢測(cè)脫空部位的連通情況，在進(jìn)行鋼襯接觸灌漿前應(yīng)對(duì)灌漿部位進(jìn)行沖洗。脫空部位應(yīng)先用凈水沖洗，再用風(fēng)吹。用凈水進(jìn)行沖洗時(shí)，水流進(jìn)口應(yīng)設(shè)在高位孔處，由上往下沖洗，并應(yīng)根據(jù)沖洗水量估算后續(xù)灌漿所需的漿量。用風(fēng)進(jìn)行吹洗時(shí)，進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)置在低位孔處，由下往上吹洗。水、風(fēng)沖洗應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，循環(huán)次數(shù)以排水孔排出潔凈的水為準(zhǔn)。沖洗時(shí)使用的風(fēng)、水壓力不能太大，否則可能導(dǎo)致新的脫空，通常可按實(shí)際灌漿壓力的80%控制。沖洗時(shí)觀察脫空區(qū)域的串通情況，只要通就會(huì)進(jìn)漿，所以檢查時(shí)風(fēng)、水壓力不必太大。

5.5 灌漿施工

灌漿前應(yīng)估算好耗漿量，提前準(zhǔn)備材料和灌漿設(shè)備，確保灌漿施工期間不會(huì)因?yàn)樵O(shè)備、材料的原因?qū)е鹿酀{中斷。灌漿壓力一般控制在0.1 MPa以內(nèi)，具體灌漿壓力應(yīng)以控制鋼襯變形不超過(guò)允許值為準(zhǔn)。為保證脫空區(qū)域充分灌漿，應(yīng)從最低處孔開(kāi)始灌漿，并在灌漿過(guò)程中用橡皮錘敲擊鋼襯，著重敲擊漿液未到區(qū)域。待各高處孔出漿達(dá)到進(jìn)漿漿液比重后，依次將其孔口封閉。在設(shè)計(jì)灌漿壓力下，當(dāng)灌漿孔停止吸漿后，應(yīng)保持該灌漿壓力，持續(xù)灌注5 min。

灌漿過(guò)程中若漿液注入量突然增大，應(yīng)立即停止灌漿。由于二灘電站水輪機(jī)蝸殼外圍混凝土采用充水保壓的澆筑方式，在機(jī)組檢修放空蝸殼積水時(shí)，蝸殼中上部與外圍混凝土之間存在一定的空隙，尾水管鋼襯脫空部位主要集中在錐管頂部范圍內(nèi)，距離蝸殼較近，因此當(dāng)漿液注入量突然增大時(shí)，不排除裂縫串通的可能，如不及時(shí)停止灌漿，可能導(dǎo)致漿液串至蝸殼周邊。

5.6 封孔

灌漿管與鋼襯采用焊接連接，為防止鋼襯不同材質(zhì)在流道中發(fā)生電解等化學(xué)反應(yīng)，焊條必須與鋼襯原始材質(zhì)一致，灌漿結(jié)束后用焊補(bǔ)法封孔，并應(yīng)用砂輪將焊接處磨平。

6 結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)尾水管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尾水管鋼襯外側(cè)二期混凝土澆筑縱深大，施工時(shí)難以做到混凝土振搗密實(shí)，導(dǎo)致尾水管鋼襯存在脫空。尾水管錐管段上部0.5 m區(qū)域未設(shè)置錨筋是導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中鋼襯發(fā)生脫空的重要因素，機(jī)組長(zhǎng)期在非最優(yōu)工況下運(yùn)行加劇了鋼襯的脫空。因此，一方面，要及時(shí)對(duì)尾水管鋼襯脫空部位進(jìn)行灌漿處理；另一方面，也要優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，避開(kāi)渦帶區(qū)和低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行，減少機(jī)組出力調(diào)整頻次。