高水頭抽水蓄能電站蝸殼水壓試驗技術研究

周若愚

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安 710024)

豐寧抽水蓄能電站二期工程安裝4臺(7～10號機)單機容量300MW的定速水泵水輪機-發(fā)電電動機組和2臺(11～12號機)單機容量300MW的變速水泵水輪機-發(fā)電電動機組，水泵水輪機最大水頭460m,最小水頭387m，額定水頭425m，機組額定轉速428.6r/min。蝸殼材質為HD610CF高強鋼，最大板厚為65mm，蝸殼分22節(jié)及3節(jié)蝸殼延伸段，共設置兩個湊合節(jié)，分別為第1節(jié)和第12節(jié)。

在抽水蓄能電站中，蝸殼的作用非常重要。蝸殼是水輪機引水部件，安裝在進水閥和座環(huán)之間，使從高壓管道進來的水流均勻對稱地進入轉輪四周，完成水流動能轉換為壓能的任務。高水頭蝸殼安裝焊接完成后必須進行蝸殼水壓試驗,蝸殼水壓試驗的主要目的是檢驗水輪機蝸殼焊縫的焊接質量；對座環(huán)、蝸殼的承載力進行驗證，以確保座環(huán)、殼體在各種工況下運行安全；測量蝸殼水壓試驗時的膨脹量并消除因焊接引起的焊接應力，使殼體應力分布更趨于均勻。在蝸殼保持一定壓力的狀況下，進行二期混凝土澆筑與回填灌漿，以取消常規(guī)使用的彈性層，用蝸殼中的水帶走蝸殼外包混凝土凝固產生的熱量，從而避免因混凝土水化熱引起的座環(huán)、蝸殼變形。檢驗蝸殼設計的合理性和安裝質量是檢查焊縫焊接質量及消除焊接應力、實現(xiàn)蝸殼與鋼筋混凝土聯(lián)合受力的一項重要措施,是確定機組安裝能否進入下一道安裝工序的關鍵環(huán)節(jié)。

1 水壓試驗內容及關鍵技術工藝

蝸殼水壓試驗內容包括：封水環(huán)、試驗悶頭、蝸殼進人門安裝，打壓管路系統(tǒng)安裝、蝸殼充水、升壓和降壓試驗及保壓澆筑，蝸殼排水和悶頭、封水環(huán)拆除等。

a.蝸殼水壓試驗的關鍵施工步驟包括內支撐解除、打壓設備安裝、蝸殼充水打壓、保壓澆筑混凝土、蝸殼排水和悶頭、封水環(huán)拆除等。

b.蝸殼水壓試驗完成后將蝸殼水壓泄至零，復測蝸殼座環(huán)高程、方位及水平(必要時重新調整)。蝸殼座環(huán)高程、方位及水平合格后，根據蝸殼座環(huán)地基圖配割并裝焊φ30圓鋼Q235B、M30拉緊器，并按要求預緊。將座環(huán)支腿與墊板、墊板與基礎板點焊固定；將蝸殼支腿與墊板、墊板與基礎板點焊固定。

c.保壓澆筑混凝土。首先保壓澆筑蝸殼腰線以下混凝土，蝸殼腰線以下混凝土澆筑完成后，用于蝸殼加固的拉錨需割開，并將蝸殼外部受力點處背板(100mm×100mm方板)割除后打磨光滑并表面探傷合格，再保壓澆筑蝸殼中心線以上混凝土。

d.蝸殼水壓試驗在打壓保壓方面較為關鍵，所以在充水前應逐個對密封處進行檢查，確認合格后方可充水。

2 打壓設備安裝工藝

2.1 蝸殼打壓設備及水源準備

2.1.1 蝸殼打壓設備布置

蝸殼設計壓力為7.47MPa，水壓試驗壓力為11.2MPa，打壓試驗泵的揚程H=1600m，流量Q=0.66m3/h，功率為5.5kW，型式為三柱塞高壓往復泵，型號：SHP35-660/20，過流材質2Cr13，固定式安裝。

水壓設備布置在高程961.5m球閥層尾水錐管進人廊道位置，以操作方便、不妨礙監(jiān)測、保壓澆筑為原則。蝸殼水壓試驗用管路安裝后要求單獨打壓，水壓為試驗最高壓力(11.2MPa)并保壓30min。電動試壓泵試水，按試壓泵設計說明書要求對試壓泵進行試運轉，檢查試壓泵性能能否達到說明書使用要求，確認該泵能正常工作；蝸殼水壓試驗布置及壓力試驗系統(tǒng)見圖1、圖2。

圖1 蝸殼水壓試驗布置

圖2 壓力試驗系統(tǒng)示意圖

2.1.2 蝸殼供排水管路布置

按座環(huán)蝸殼打壓工具圖，在蝸殼排水管(φ168×10)上安裝引水管、排水管、閥門并連接高壓軟管。保壓澆筑完成后排水，通過設計的蝸殼層周邊排水溝與預埋的豎向排水管匯集排至尾水層檢修排水廊道內，通過設置沙袋擋水檻，布置2英寸水泵接引PVC排水管至2號含油污水處理池，2號含油污水處理池內設置1臺2英寸的污水泵接引2英寸PVC排水管通過蝸殼層預留的吊物孔、沿二期廠房上游邊墻經二期廠房下部施工支洞至下部交通洞H0+930.00處沉淀池，沉淀池內設置的1臺3英寸污水泵(揚程160m，流量30m3/h，功率30kW，出水口徑75mm)，將沉淀池內污水通過3英寸排水主管經下部交通洞排至2號尾水隧洞施工支洞內的鋼制集水箱。

廠房施工供水從2號通風洞端頭位置的12m3鋼制水箱內接引一套2英寸PVC供水管通過水壓自流供二期廠房主機間施工用水。在機組上游側接引一根施工用水供水管，接至打壓設備的引水管上，從引水接口向蝸殼充水，待蝸殼充水完畢(頂部排氣孔開始冒水)，先后關閉截止閥、球閥和排氣孔，加注水完成后，檢查所有閥門和所有孔洞是否漏水。外部供水見圖3。

圖3 外部供水示意圖

2.2 封水環(huán)安裝

水壓試驗封水環(huán)為鋼筒，封水環(huán)壁厚為70mm，外徑為5500mm，內徑為4500mm，與座環(huán)、封水環(huán)法蘭采用“O”形密封圈密封，封水環(huán)總重量為19.5t。座環(huán)/蝸殼安裝焊接驗收完成后，將蝸殼內清理干凈。封水環(huán)吊裝前，測量座環(huán)與封水環(huán)配合平面的平面度，要求每個平面的平面度達到0.20mm/m(注意座環(huán)分瓣焊縫部位的水平需滿足要求)，否則應進行打磨，并對打磨量做好記錄，供后續(xù)座環(huán)加工時參考用。

封水環(huán)吊裝前先在座環(huán)下環(huán)板垂直密封面上安裝兩圈φ16耐油橡膠圓條，并牢靠地固定在座環(huán)上，然后根據封水環(huán)上的密封槽尺寸配割、黏結并安裝φ10耐油橡膠圓條(注意接頭處應處理好)。

將封水環(huán)按圖紙位置用橋機吊裝就位，調整封水環(huán)與座環(huán)上、下密封面同心，同心度不得大于1mm，緩慢下降確保座環(huán)下法蘭垂直密封面上黏結的密封條不被破壞。按照上述要求調整合格后，再按照設計要求擰緊座環(huán)與封水環(huán)之間的把合螺栓(M30雙頭螺栓，預緊力為216.5kN)。封水環(huán)安裝見圖4。

圖4 封水環(huán)安裝圖(單位：mm)

2.3 試驗悶頭安裝

試驗悶頭為半球體結構，壁厚為65mm，法蘭外徑為3220mm，法蘭內徑為2300mm，與延伸段法蘭采用“O”形密封圈密封，悶頭總重量為10.34t。

根據蝸殼打壓管路圖安裝密封圈。將試驗悶頭吊裝就位，安裝連接螺栓和螺母，并按照設計要求對螺栓進行拉伸，根據相應的圖紙安裝蝸殼打壓工具的其余零部件并進行相應的試驗檢查，蝸殼打壓工具的零部件安裝檢查合格后，按圖進行相應管路的連接并進行相應的通流試驗和壓力試驗。

2.4 蝸殼進入門及水力管路安裝

根據蝸殼延伸段圖安裝“O”形橡膠密封圈，將蝸殼進人門連接螺栓清理干凈并試裝配合格。安裝連接螺栓，并按照設計要求對螺栓進行拉伸。

按要求安裝蝸殼測壓管路、蝸殼消水環(huán)管、蝸殼回水排氣管及蝸殼排水管。

2.5 變形監(jiān)測設施布置

座環(huán)蝸殼上布置變形測量儀表。在座環(huán)+X、-X、+Y、-Y四個方向安裝檢測支架，焊在下部混凝土預埋基礎上，每個支架設2塊百分表分別用于測量座環(huán)上法蘭面軸向位移、徑向位移及座環(huán)下法蘭面的軸向位移、徑向位移；在蝸殼4個斷面的水平及垂直部位共布置8塊百分表，用于監(jiān)測試驗時蝸殼的變形與座環(huán)的水平變化；蝸殼悶頭布置1塊百分表；蝸殼直管段布置2塊表；蝸殼舌板(鼻端導葉)處布置1塊百分表。共布置20塊百分表。測量儀表布置見圖5。

圖5 水壓試驗測量儀表布置

3 水壓試驗工藝

3.1 試壓注意事項

蝸殼水壓試驗過程中不得帶壓對各種儀表、閥體進行拆換；加壓時應精心操作，升降壓力不得過快。加壓不得超過設計值，蝸殼、測壓管、表計、閥體應做好標記，不得進行焊接、切割、損壞，水壓試驗后對測壓管進行保護；水壓試驗過程中嚴禁對蝸殼敲擊、焊接。

3.2 蝸殼充水

按廠家圖紙將所有管道、閥門及試壓泵組等部件安裝、調試完畢，并檢驗有無泄漏。打開蝸殼充水閥門及頂部排氣閥，從引水接口向蝸殼充水(廠房供水管流量約為0.14m3/min，蝸殼充水時間約為10h)，待蝸殼充水完畢(頂部排氣孔開始冒水)且壓力表顯示0.1MPa后，先后關閉截止閥、球閥和排氣孔。加注水完成后，檢查所有閥門和所有孔洞是否漏水。

各裝置應保證拆卸方便，以便在出現(xiàn)問題時方便更換。蝸殼水壓試驗的水溫不低于5℃，用紅外測溫儀監(jiān)測。

3.3 水壓試驗

蝸殼打壓試驗工具安裝合格后，對蝸殼進行充水，蝸殼充水時將排氣閥打開，觀察排氣閥，當蝸殼充滿水后關閉排氣閥閥門；在蝸殼充水過程中，檢查蝸殼測壓接頭、蝸殼排水閥、蝸殼取水口、封水環(huán)、封水環(huán)管路接頭等部位的滲漏情況，應無滲漏。否則，應對蝸殼進行排水處理，處理完滲漏點后再次充水。

蝸殼充水檢查合格后，按照打壓試驗過程圖的要求，對蝸殼進行打壓試驗，在蝸殼加壓過程中，檢查蝸殼測壓接頭、蝸殼排水閥、蝸殼取水口等管路接頭部位的滲漏情況，應無滲漏。水壓試驗最高壓力為11.2MPa，蝸殼加壓速率控制在0.2MPa/min，減壓速率控制在0.4MPa/min。

試驗過程：0MPa→2.33MPa(保壓5min)→1.17MPa(保壓5min)→4.67MPa(保壓5min)→2.33MPa(保壓5min)→7.47MPa(保壓5min)→3.73MPa(保壓5min)→9.33MPa(保壓5min)→5.28MPa(保壓5min)→11.20MPa(保壓30min)→7.47MPa(保壓30min)→3.73MPa(保壓澆筑混凝土)。

蝸殼座環(huán)壓力試驗過程見圖6。

圖6 蝸殼座環(huán)壓力試驗過程

按照升壓—保壓—降壓的要求，多次、分步加壓，加壓按照廠家技術要求進行，參見圖6。采取多次、曲折、分步加壓，一是更好地消除焊接應力，二是確保水壓試驗的安全性，因此加壓速度及壓力值、保壓時間、降壓速度及壓力值都應嚴格按照曲線要求進行，不得隨意施壓。升降壓速度通過打壓泵進行設定，加壓人員要精心操作。

前25min將壓力升到2.33MPa,保持5min后降壓至1.17MPa，保持5min，如此依次按照蝸殼打壓流程曲線圖進行。在保壓過程中，認真檢查焊縫是否有滲漏，對蝸殼焊縫及密封部位進行全面檢查。如出現(xiàn)滲漏或焊接開裂情況，應立即進行應急排水，且排水的降壓速度不宜過快，與正常降壓速率相同。

4 水壓試驗結論

豐寧抽水蓄能電站10號機組蝸殼水壓試驗蝸殼、座環(huán)監(jiān)測數(shù)據見表1、表2。

表1 水壓試驗蝸殼監(jiān)測 單位：mm

表2 水壓試驗座環(huán)監(jiān)測 單位：mm

蝸殼異常位移設計值：最大綜合位移為3.6mm，最大徑向位移為2.34mm，最大豎向位移為1.49mm。通過對以上數(shù)據進行分析，得出如下結論:?設計壓力7.47MPa時，蝸殼最大變形量為2.11mm(+X水平方向)，接近設計值，其余數(shù)值均小于設計變形量；?壓力為11.2MPa時，蝸殼最大變形量為3.34mm(+X水平方向),為設計值的1.4倍，考慮到蝸殼變形與焊接、安裝等多種因素有關，最大變形量不超過設計值的1.5倍，滿足設計要求；?座環(huán)變形值均滿足設計要求。

5 結 語

蝸殼水壓試驗可對蝸殼、座環(huán)的設計、制造、焊接、安裝整體穩(wěn)定性設計和蝸殼引水系統(tǒng)安全運行必須承載的壓力進行驗證，通過水壓試驗發(fā)現(xiàn)問題后可及時進行處理和設計優(yōu)化，以確保蝸殼和座環(huán)系統(tǒng)的安全運行。通過水壓試驗,也可減小或消除蝸殼管節(jié)因熱加工和焊接產生的殘余應力。

豐寧抽水蓄能電站額定水頭425m，屬于抽水蓄能電站中額定水頭較高的電站，為確保蝸殼的設計、制造和安裝質量，滿足機組長期安全、穩(wěn)定運行的要求,需在蝸殼/座環(huán)安裝完成后且未澆筑蝸殼外包混凝土前,對蝸殼/座環(huán)進行水壓試驗。蝸殼水壓試驗采用階梯式升/降壓過程，升壓至1.5倍設計壓力即11.2MPa后保壓30min。此次水壓試驗技術要求高,難度大,是對蝸殼設計、制造和安裝質量的全面考驗。經過0～11.2MPa的水壓試驗，各項技術指標都達到安全運行標準和合同技術要求。