吉布Ⅲ水電站蝸殼水壓試驗(yàn)

馮偉

摘 要：介紹了吉布Ⅲ電站蝸殼水壓試驗(yàn)的目的、方法、監(jiān)測(cè)手段、表計(jì)布置，對(duì)蝸殼、座環(huán)的材質(zhì)性能及焊接方法、檢查手段也進(jìn)行了概略的介紹。同時(shí)，簡(jiǎn)要地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：蝸殼；座環(huán)；焊接；水壓試驗(yàn)；變形；監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TV732.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）16-0199-03

1 概述

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站總裝機(jī)10臺(tái)混流式水輪機(jī)，單機(jī)容量187MW，該電站為目前非洲已建成的最大容量水電站，也是目前我公司最大單機(jī)容量的出口項(xiàng)目。水輪機(jī)額定水頭193.5m，最大水頭214.0m，最小水頭176.0m，額定出力187MW，最大出力205.7MW。

2 參加水壓試驗(yàn)部件

2.1 座環(huán)

座環(huán)由190mm厚的上、下環(huán)板和23個(gè)固定導(dǎo)葉組焊構(gòu)成，外徑5.8m，高度2.5m，總重約55t。由于運(yùn)輸限制，在工廠分兩瓣制造，運(yùn)至廠房機(jī)坑后將其用螺栓把合，然后焊成整體。

2.2 蝸殼

金屬蝸殼過流斷面為圓形，包角345°，由在工廠加工成型的25節(jié)瓦片組成，在工地掛裝在座環(huán)上，然后焊成整體。

（1）蝸殼設(shè)計(jì)壓力為水輪機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)的最大壓力（含水錘壓力升高），其值為3MPa，組焊完后進(jìn)行1.5倍設(shè)計(jì)壓力的水壓（4.5MPa）試驗(yàn)。（2）從機(jī)組和建筑物整體安全考慮，采用了蝸殼和機(jī)墩混凝土聯(lián)合受力設(shè)計(jì)，規(guī)定蝸殼要保持相應(yīng)于水輪機(jī)最小水頭的水壓（1.76MPa）的90%壓力（1.58MPa）下澆筑混凝土。即當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)高于1.58MPa的水壓力時(shí)，蝸殼外圍的鋼筋混凝土才分擔(dān)部份荷載，若機(jī)組運(yùn)行水壓力低于1.58MPa時(shí)，蝸殼單獨(dú)承受水壓力，且蝸殼與混凝土之間會(huì)出現(xiàn)一定間隙。

2.3 封水環(huán)

封水環(huán)由上、中、下三圈環(huán)板和立圈拼焊而成。在上環(huán)板上有20個(gè)￠72通孔，下環(huán)板上有20個(gè)M36螺孔用于把合固定封水環(huán)。中、下環(huán)板各加工一道密封槽，密封槽深度為6mm，寬度10.2mm。由于這兩道密封為封水環(huán)關(guān)鍵的封水手段，密封效果直接影響水壓試驗(yàn)成功與否，因此在封水環(huán)安裝到位之后以及水壓試驗(yàn)過程中，須用塞尺檢查封水環(huán)與座環(huán)密封面間隙。充水前，封水環(huán)下密封面的間隙應(yīng)小于0.50mm，升壓過程中，間隙應(yīng)小于1mm。

2.4 悶頭

悶頭形式為以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，內(nèi)徑4.2m，板厚50mm，總重約13.2t。悶頭上共預(yù)留有三個(gè)孔，分別為排氣兼測(cè)壓孔、增壓進(jìn)水孔兼排水孔以及主排水孔。并且悶頭直線段留有一定的配割余量，以便前面的機(jī)組試驗(yàn)完后，割下悶頭重新開坡口用于后續(xù)機(jī)組。

3 蝸殼的水壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

水壓試驗(yàn)是檢驗(yàn)座環(huán)蝸殼安裝焊接質(zhì)量的綜合手段，考驗(yàn)材料及焊縫的強(qiáng)度及整體剛度，通過水壓試驗(yàn)還可消除部分焊接應(yīng)力，使應(yīng)力分布趨于均勻。試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，即4.5MPa。為使試驗(yàn)安全、測(cè)試準(zhǔn)確并利于消應(yīng)，試壓過程采用逐級(jí)增壓的方法，每次間隔0.5MPa，保持壓力15分鐘并觀測(cè)和記錄，在4.5MPa壓力下保持0.5h，然后逐漸降壓至零。

3.2 水壓試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作

（1）蝸殼焊縫探傷檢查合格后，按要求打磨內(nèi)外表面并檢查合格。焊縫檢查方式根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場(chǎng)焊縫采取100%PT探傷+100%UT探傷。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)業(yè)主及監(jiān)理要求，在PT和UT檢查并返修完成后，再用100%TOFD（超聲波衍射時(shí)差法）探傷檢查。（2）蝸殼進(jìn)人門孔的配割以及蝸殼進(jìn)人門裝焊。進(jìn)人門密封及螺栓按要求安裝到位。（3）根據(jù)原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，蝸殼混凝土澆筑采取鋪設(shè)彈性墊層澆筑的方式。后因?yàn)楹贤蠹皹I(yè)主意見，改為保壓澆筑混凝土，故原設(shè)計(jì)的座環(huán)灌漿孔和排氣孔取消，因此在水壓試驗(yàn)前，必須將座環(huán)上的灌漿排氣孔采取可靠封堵，并做表面PT探傷檢查。（4）蝸殼內(nèi)部支撐全部割除，并將雜物全部清理干凈，以免堵塞排水管。（5）蝸殼內(nèi)表面按規(guī)定工藝補(bǔ)漆。（6）悶頭掛裝焊接，悶頭上部的壓力表等到蝸殼充滿水后再安裝。悶頭焊接的同時(shí)可以開始封水環(huán)的預(yù)裝。悶頭安裝圖如圖1所示。（7）封水環(huán)安裝。在安裝間裝焊兩層星形架支撐，內(nèi)支撐可布置在封水環(huán)中部環(huán)板以及下部環(huán)板斷面，以增強(qiáng)封水環(huán)剛度，減少不利變形，影響密封效果。星形支撐應(yīng)避開X，Y軸線，以免影響百分表的安裝。封水環(huán)安裝好后，應(yīng)該檢查封水環(huán)與座環(huán)軸向、徑向間隙是否，以保證橡膠圓條受壓均勻。封水環(huán)安裝圖如圖2所示。（8）悶頭焊接完成后，開始百分表以及打壓管路的安裝。分別在蝸殼外表面上部、腰線、下部、悶頭及座環(huán)上法蘭面和封水環(huán)內(nèi)表面4個(gè)軸線方向上裝設(shè)百分表，用以監(jiān)測(cè)蝸殼、悶頭以及封水環(huán)的變形及座環(huán)法蘭上抬量。注意百分表表架的安裝應(yīng)牢固，不易晃動(dòng)，并且與座環(huán)及蝸殼脫離開。測(cè)點(diǎn)分布見圖3。

3.3 蝸殼水壓試驗(yàn)變形監(jiān)測(cè)

水壓試驗(yàn)過程中做好座環(huán)與蝸殼監(jiān)測(cè)工作，從充水開始連續(xù)監(jiān)測(cè)，并在每個(gè)保壓階段記錄蝸殼及座環(huán)檢測(cè)部位百分表讀數(shù)及相應(yīng)的壓力表讀數(shù)，計(jì)算蝸殼變形值及座環(huán)軸向變形值。水壓試驗(yàn)時(shí)間壓力關(guān)系見圖4。蝸殼水壓試驗(yàn)按不大于0.1MPa/min上升（下降）速度，用試壓泵進(jìn)行加壓（降壓），加壓（降壓）過程中應(yīng)對(duì)蝸殼各焊縫、各管路進(jìn)行巡視，發(fā)現(xiàn)滲漏點(diǎn)后，應(yīng)停止試壓泵，泄壓后及時(shí)處理，合格后再重新開始試驗(yàn)。試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)見表1。

4 水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)廠內(nèi)蝸殼強(qiáng)度有限元計(jì)算報(bào)告，蝸殼在4.5MPa壓力下（見圖5），理論最大變形值發(fā)生在蝸殼直管段第一節(jié)，并且最大變形量為9.105mm。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果顯示，蝸殼最大變形值在悶頭+x方向，值為5.43mm，小于理論計(jì)算的9.105mm，其余部位的變形值均小于計(jì)算結(jié)果，并與計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致。

固定導(dǎo)葉在4.5MPa壓力下（見圖6），理論最大伸長(zhǎng)值為1.02mm，實(shí)際座環(huán)法蘭上抬量最大值為0.42mm，小于理論計(jì)算結(jié)果。

5 蝸殼埋設(shè)方式的討論

目前，國(guó)內(nèi)大容量或大尺寸水輪機(jī)金屬蝸殼埋設(shè)澆筑混凝土主要采用兩種方式：一種是蝸殼不做水壓試驗(yàn)，不充水壓，只在蝸殼上半部加彈性墊層后澆混凝土，大多數(shù)電站采用這種方式；另一種是蝸殼充水進(jìn)行水壓試驗(yàn)后保持一定壓力下澆混凝土，大多用于高水頭水電機(jī)組和蓄能機(jī)組。還有一種是曾在三峽右岸及地下廠房采用的直埋方式澆筑蝸殼混凝土，但還未廣泛應(yīng)用。

這兩種埋設(shè)方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。加彈性墊層方式：①不進(jìn)行水壓試驗(yàn)，用加強(qiáng)探傷的方法保證座環(huán)、蝸殼母材和焊接的質(zhì)量；②省去水壓試驗(yàn)悶頭及設(shè)備，節(jié)省一定量費(fèi)用；③省去相應(yīng)的悶頭安裝、拆卸工作量，能縮短直線工期；④蝸殼和混凝土聯(lián)合受力的狀態(tài)取決于蝸殼變形和彈性墊層的特性、厚度，二者受力分?jǐn)偨缍ú缓芮宄３渌悍绞剑孩龠M(jìn)行水壓試驗(yàn)，對(duì)座環(huán)蝸殼的強(qiáng)度和剛度判斷更直觀，并起到局部消除焊接應(yīng)力的作用；②需制造、安裝、焊接試驗(yàn)用悶頭，機(jī)組臺(tái)數(shù)多時(shí)，需兩套或多套悶頭、費(fèi)用較高；③增加一定的安裝工作量，直線工期稍長(zhǎng)；④蝸殼在恒定水壓下澆混凝土和灌漿，蝸殼及其周邊混凝土的聯(lián)合受力情況能清楚界定，水工結(jié)構(gòu)計(jì)算更有把握。

綜上所述，吉布Ⅲ電站額定水頭193m，采用保壓澆筑混凝土的方式是可行的。但在選取澆筑壓力標(biāo)準(zhǔn)時(shí)需考慮兩個(gè)因素：一是蝸殼外圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分擔(dān)的荷載，水工設(shè)計(jì)往往傾向于讓結(jié)構(gòu)盡量少承擔(dān)荷載。二是應(yīng)保證水輪機(jī)在最低水頭下工作時(shí)蝸殼和周邊混凝土緊密接觸，座環(huán)蝸殼和機(jī)組軸線不會(huì)因水推力或振動(dòng)力而發(fā)生位移。

為了確保水輪機(jī)組的牢固性和運(yùn)行穩(wěn)定性，蝸殼充水澆混凝土的保壓值不應(yīng)大于蝸殼的最小水頭，因此吉布Ⅲ電站蝸殼混凝土澆筑時(shí)，保壓值取最小水頭的90%，即1.58MPa。