某電站機(jī)組機(jī)坑墻體滲水原因分析及處理

史恩澤，梁志海，郭永慶

(1.太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東 118000；2.綠源水力發(fā)電公司檢修公司，遼寧 丹東 118000)

1 概述

太平灣發(fā)電廠長甸電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是中朝界河鴨綠江中下游水豐電站的擴(kuò)建工程，與水豐電站共用一個水庫。廠區(qū)由A站和B站兩座引水式廠房組成，其中A站于1986年開工建設(shè)，廠房內(nèi)安裝1號和2號水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量2×75 MW，于1989年10月相繼投產(chǎn)發(fā)電；B站于2011年開工建設(shè)，廠房內(nèi)安裝3號和4號水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量2×100 MW，2014年9月相繼投產(chǎn)發(fā)電。2016-12-21，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組機(jī)坑墻體外側(cè)的水輪機(jī)層地面出現(xiàn)較大范圍滲水，位置主要集中在機(jī)坑墻體下游側(cè)，后經(jīng)過幾個月時間觀察，發(fā)現(xiàn)滲水量時大時小、時有時無；機(jī)組開機(jī)運(yùn)行時，滲水量較少，機(jī)組停機(jī)備用時，滲水較為明顯。從2017年9月開始，1號機(jī)組啟動頻次較少，滲水量卻逐漸加重，10月滲水范圍擴(kuò)散至機(jī)坑墻體外側(cè)周圍水輪機(jī)層地面的各個方向。

2 機(jī)坑墻體滲漏的危害

結(jié)合國內(nèi)外水電站廠房及混凝土基礎(chǔ)滲漏相關(guān)案例和鋼筋混凝土的理化特性等相關(guān)資料可知，水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)坑墻體一旦出現(xiàn)滲漏水問題，對電站的危害主要為以下3點。

(1) 滲漏水會使鋼筋混凝土內(nèi)部存在的氫氧化鈣溶失，一旦鋼筋混凝土所處環(huán)境的pH值變小，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋易發(fā)生銹蝕，并會加快結(jié)構(gòu)混凝土的堿骨料反應(yīng)，從而影響到結(jié)構(gòu)安全，縮短了墻體的使用年限。

(2) 滲漏水會引起電氣設(shè)備絕緣性能降低，易造成墻體附屬鐵件銹蝕損壞。

(3) 如果滲漏水的壓力較高，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致混凝土中的細(xì)小顆粒被滲漏水帶走，引發(fā)管涌效應(yīng)，破壞混凝土原有成分比例，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生孔穴，危害性更大。

3 滲漏水原因分析過程

3.1 滲漏水來源的初步判定

根據(jù)廠房結(jié)構(gòu)，確定機(jī)坑墻體滲漏水可能來自以下2個方面。

(1) 廠房滲漏。如果混凝土內(nèi)存在裂縫、孔洞或局部孔隙率超標(biāo)，廠房周邊或廠房內(nèi)的積水就會沿孔隙滲入混凝土內(nèi)，造成機(jī)坑墻體滲漏。

(2) 蝸殼和技術(shù)供水。長甸電站1號水輪機(jī)安裝高程為29.90 m，機(jī)組技術(shù)供水水源有兩路，分別是蝸殼供水和環(huán)管供水，環(huán)管供水取水口位置在上游快速閘門前方，高程為74.80 m，兩路技術(shù)供水可互為備用。

機(jī)坑墻體內(nèi)埋設(shè)的主要過水部件和管路包括蝸殼、尾水管、技術(shù)供水管路、測壓管(蝸殼和尾水)，其中蝸殼埋設(shè)位置高程為25.40～30.40 m；尾水管(包括錐管和肘管)埋設(shè)位置高程為17.60～26.50 m；技術(shù)供水管路埋設(shè)在25.40～33.33 m；蝸殼測壓管路埋設(shè)高程在27.90～31.40 m；尾水測壓管路埋設(shè)高程在17.60～25.40 m；水輪機(jī)層地面高程為31.40 m，發(fā)電機(jī)層地面高程為37.03 m。

上述埋設(shè)部件如果有滲漏部位，在水帶的壓力作用下，水滲入混凝土，造成墻體滲漏。

3.2 從滲漏現(xiàn)象分析滲漏水來源

機(jī)組停機(jī)備用時滲漏嚴(yán)重，機(jī)組運(yùn)行時滲漏較輕，說明滲漏與蝸殼水壓有關(guān)，根據(jù)流體力學(xué)原理——伯努利方程式:

式中：P為流體壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體平均流速，m/s；h為高度，m；g為重力加速度，m/s2；C為常數(shù)。

根據(jù)公式推導(dǎo)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，水流速度增大，在h不變的前題下，g與C為常數(shù)，所以壓強(qiáng)減小，滲漏相對較輕。機(jī)組停機(jī)時，水流速度為0，壓強(qiáng)較大，滲漏相對較重。所以現(xiàn)場觀察的滲漏現(xiàn)象說明滲漏水源可能是部分或全部來自蝸殼。

3.3 滲漏水來源的排查過程及結(jié)論

2017-04-28—2017-05-05，1號機(jī)組停機(jī)，組織專業(yè)人員進(jìn)行排查，排查過程分2個階段。

3.3.1 排查過程

(1) 關(guān)閉技術(shù)供水進(jìn)口閥，關(guān)閉調(diào)壓井快速門，截斷機(jī)組進(jìn)水；關(guān)閉尾水門，截斷尾水，進(jìn)行蝸殼、尾水管排水。排空后確認(rèn)滲漏水全部消失，排除滲漏水來源于廠房滲漏的可能。

(2) 在壓力鋼管、蝸殼和尾水管排空的狀態(tài)下，投入1號機(jī)組環(huán)管供水水源，觀察墻體，未出現(xiàn)滲漏問題，排除技術(shù)供水埋設(shè)管路滲漏的可能。

3.3.2 結(jié)論

因尾水管及連接測壓管路距滲漏位置較遠(yuǎn)，且尾水壓力小，已被排除其導(dǎo)致墻體滲漏的可能，通過上述排查，確定了機(jī)坑墻體滲漏水源來自于蝸殼。

3.4 滲漏點查找過程

3.4.1 查找方法

采用反滲透法和蝸殼內(nèi)表面無損檢測法，首先將蝸殼內(nèi)部排空，待干燥后，在水輪機(jī)層地面的機(jī)坑墻體外圍選擇三個滲漏嚴(yán)重的部位，用防火泥圍成約10 cm高的水槽，在水槽內(nèi)注入水，觀察蝸殼內(nèi)部是否有反滲透的水漬，以此判斷滲漏位置；再對發(fā)現(xiàn)的滲漏點或目視檢查發(fā)現(xiàn)的疑似滲漏部位，進(jìn)行無損探傷，如果仍然沒有查到滲漏點，再用UT無損檢測法對蝸殼內(nèi)部的焊縫進(jìn)行100 %全比例檢測。

3.4.2 實施過程

(1) 2017年10—12月，在長甸電站1號機(jī)組A級檢修期間，按方案要求完成各項措施后，在防火泥圍成的水槽內(nèi)注水后第三天，發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)側(cè)測壓管口有水滲出，確定了測壓管本身或測壓管進(jìn)口與蝸殼焊接部位可能存在滲漏點。

(2) 2017-11-28，委托金屬檢測單位對蝸殼內(nèi)部所有測壓管口(共四個，三個內(nèi)側(cè)測壓口和一個外側(cè)測壓口)與蝸殼焊接部位的焊縫進(jìn)行檢測，檢查結(jié)果未見異常。

排除了蝸殼內(nèi)部測壓管進(jìn)水口焊縫開裂的可能，確定了滲漏原因是埋設(shè)在機(jī)坑墻體混凝土內(nèi)的蝸殼測壓管發(fā)生滲漏。

(3) 2017-12-12—2017-12-13，用壓力試驗方法排查埋設(shè)在機(jī)坑墻體混凝土內(nèi)的蝸殼測壓管。

將蝸殼內(nèi)所有測壓管進(jìn)口，采用鋼板焊接封堵嚴(yán)密，封堵前與布置水輪機(jī)層地面的另一端口進(jìn)行對應(yīng)編號，編號完畢后在出口進(jìn)行注水打壓，檢查壓力變化情況。檢查結(jié)果為蝸殼內(nèi)側(cè)上部位置測壓管滲漏嚴(yán)重，注水5 min后，水從水車室內(nèi)墻壁頂蓋排水口大量排出，確定可能是管路爆裂。蝸殼內(nèi)側(cè)中部位置的測壓管和下部位置的測壓管壓力表指數(shù)緩慢下降，確定管路為微滲，可能是有裂紋缺陷。對蝸殼外側(cè)的測壓管打壓15 min后，壓力不再下降，確定管路未滲漏。

4 處理方法

由于蝸殼測壓管滲漏點位置埋設(shè)在機(jī)坑墻體的鋼筋混凝土內(nèi)，已無法進(jìn)行修復(fù)，故對蝸殼內(nèi)部的四路測壓管進(jìn)行報廢，對測壓管兩端管口進(jìn)行封堵，同時制定新的測壓管路改造方案，代替原蝸殼測壓管路的功能。具體的處理方案如下。

4.1 測壓管封方法

(1) 在水輪機(jī)層地面出口端，從地面位置割平，管口用10 mm厚鋼板焊接封堵。

(2) 蝸殼內(nèi)進(jìn)水管口用電鉆鉆Φ20孔，管內(nèi)用防水材料填充，待干燥后，用與蝸殼同材質(zhì)的16Mn鋼進(jìn)行塞焊，塞塊尺寸根據(jù)現(xiàn)場實際測量，厚度不低于同位置蝸殼金屬厚度，焊接后進(jìn)行表面修型，完畢后再進(jìn)行無損檢測，如圖1所示。

4.2 測壓管功能替代方案

該機(jī)組蝸殼內(nèi)原測壓管共四根，其中內(nèi)側(cè)三根，在蝸殼內(nèi)側(cè)固定導(dǎo)葉上方，分布在同一截面上，管口與管口之間相距100 mm，另一端在水輪機(jī)層地面并排引出后并入同一根管路。蝸殼外側(cè)測壓管進(jìn)口與內(nèi)側(cè)布置在同一截面上，高程與內(nèi)側(cè)中間的管口相同，另一端在水輪機(jī)層地面引出，試驗時內(nèi)、外測壓管引出口之間可以安裝壓差傳感器。

測量蝸殼壓差的目的是通過內(nèi)外側(cè)的壓差數(shù)據(jù)，推算出水輪機(jī)流量數(shù)據(jù)，進(jìn)而校核水輪機(jī)工作效率。

替代方案在蝸殼內(nèi)原外側(cè)測壓管進(jìn)口和原內(nèi)側(cè)三個測壓管進(jìn)口中間位置各焊接一個測嘴。測嘴為圓柱形，材質(zhì)為不銹鋼，其中一個測嘴表面設(shè)計Φ5圓孔，為壓力水入口；另一表面焊接在蝸殼上，圓柱表面設(shè)計Φ15圓孔，焊接Φ14×2.5不銹鋼管，不銹鋼管沿蝸殼內(nèi)表面引出到蝸殼人孔門附近位置，再鉆孔引出蝸殼外，管路出口設(shè)計表計接口，不銹鋼管用焊接管夾固定，蝸殼鉆孔處焊接測壓座，焊接完畢后進(jìn)行焊縫無損檢測。為防止流體中的雜物覆蓋在測嘴上，堵塞進(jìn)水口，測嘴周圍焊接過渡流線板。

5 處理效果

按照事先制訂的方案，在2018年3—5月對機(jī)坑墻體進(jìn)行處理，2018年6月下旬機(jī)組檢修完畢，正式交付系統(tǒng)后，經(jīng)過幾個月時間的運(yùn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)墻體有任何滲漏水現(xiàn)象。同時，在機(jī)組檢修后試驗階段，運(yùn)用改造后的蝸殼測壓管進(jìn)行壓差測量，效果良好。

實踐證明，長甸電站1號機(jī)組機(jī)坑墻體滲水的處理方法是可行的。

6 結(jié)束語

埋設(shè)在電站廠房中的細(xì)小測壓管路屬于不可修復(fù)的部件，一旦出現(xiàn)滲漏問題將無法修復(fù)。長甸電站1號機(jī)組蝸殼內(nèi)測壓管滲漏經(jīng)分析是由于設(shè)計時采用的是非不銹材質(zhì)的管件且長期缺乏維護(hù)，造成管路內(nèi)外表面嚴(yán)重銹蝕、管壁變薄，同時受機(jī)組運(yùn)行中振動力的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋、甚至爆裂引發(fā)的。對建設(shè)中或正在運(yùn)行的水電站，建議如下。

(1) 新建電站的埋設(shè)管路采用不銹鋼，安裝前做好質(zhì)量檢查，管壁厚要有足夠的安全系數(shù)，管路埋設(shè)前，重點檢查接頭和焊接部位的質(zhì)量。

(2) 加強(qiáng)日常維護(hù)，機(jī)組檢修期間用壓縮空氣吹掃。

(3) 定期進(jìn)行排水，嚴(yán)防銹蝕。

以上方法能夠延長混凝土內(nèi)埋設(shè)管路的使用壽命，長甸電站1號機(jī)組機(jī)坑墻體滲水處理的成功經(jīng)驗，為國內(nèi)水電站處理類似問題提供了參考。