雅砻江官地水电站蜗壳水压试验密封结构改进方案

陈 居 森， 姚 海 明

(1.中国水利水电第七工程局有限公司安装分局，四川彭山 620800;2.四川二滩建设咨询有限公司，四川成都 610051)

1 概述

官地水电站位于四川省凉山州西昌市与盐源县交界的雅砻江上，东距西昌市直线距离约40 km，是锦屏一、二级电站与二滩电站中间的梯级电站。该电站为地下厂房结构，装4台单机容量600 MW机组。

官地水电站蜗壳采用保压浇筑，其中蜗壳水压试验设备主要包括:封水环、试压闷头、加压系统三部分。封水环、试压闷头分两瓣到货，现场组圆焊接。封水环与座环间设置密封条，上密封条靠封水环法兰面预压紧，下密封条靠封水环与座环下法兰内镗口间隙压紧。试压闷头为球冠形，与蜗壳直管段焊接封水，板厚60 mm。闷头上设有排气、排水、加压孔。封水环中部设置一个φ300的蜗壳注水孔和止水阀门，蜗壳注满水后从闷头加压。

2 蜗壳封水环结构性能与安装

2.1 蜗壳水压试验设备结构型式

(1)外形尺寸:封水环最大外径为φ10 190，高2 370 mm，结构型式见图1。

图1 封水环与座环组装总图

(2)密封条布置。

根据厂家设计原理图及结构图，封水环与座环上环法兰面、下环镗口之间设置有密封止水槽。封水环与上法兰面之间设计间隙为35～45 mm，与下镗口之间设计间隙为43.5 mm。封水槽内设置一根φ50橡胶密封条(图1)，作为蜗壳封水环与座环间的止水部分。

(3)密封条的安装方法

通常，密封条的安装方法分两种:

①一种为静压安装法。即工作面上设有密封槽，先将密封条放置在密封槽内，靠两个密封面把合把紧，从而达到止漏的目的。

②另一种为动压安装法。即两个工作面不动，将密封条用另一特殊的安装工具放置在工作面内，靠垂直于密封条表面的液体或气体反作用力达到止漏的目的。

该电站封水环密封条的安装需要采用上述两种安装方法。

上密封条采用预压封水环上的螺栓，达到压缩密封条的目的。

下密封条采用千斤顶直压法。把密封条放在压板上，用2～3个千斤顶顶住压条，将密封条挤压入槽内。全部密封条放入槽内后，再采取对称、分段、多次预压压板螺栓的方法将密封条压紧。

(4)密封条的止水条件。

密封条的止水条件分为:预密封条件和操作密封条件。

预密封条件的意义:密封槽的密封面不管经过多么精密的加工，从微观来讲，其表面总是凹凸不平的，存在沟槽。这些沟槽可成为密封面的泄漏通道。因此，必须利用较软的密封条在预紧螺栓力的作用下，将密封条表面嵌入到密封槽密封面的凹凸不平处，将沟槽填没，消除上述泄漏通道。为此，在密封条单位有效密封面积上应有足够的压紧力。此单位面积上的压紧力称为密封条的密封比压力(单位为 MPa)，用y表示。不同的密封条有不同的比压力。密封条材料愈硬，y愈高。

操作密封条件的意义:经预紧达到预密封条件的密封面，在内压作用下，由于压力的轴向作用，密封面会产生分离，使密封条与密封面间的压紧力减小，出现微缝隙，内压介质有可能通过缝隙产生泄漏。为保证其密封，必须使密封条与密封面间保持足够大的流体阻力，只有当其阻力能大于由介质内外压差引起的推动力时，密封条方能密封而不产生泄漏。

(5)该电站封水环密封条设计止水原理。

①上密封条采用预压封水环上螺栓，压缩密封条，以保证密封条与座环工作面、封水环工作面紧密接合。当蜗壳水压上升时，上法兰面密封条在水压作用下移动到密封槽外沿处，断续受水压作用，密封条向两侧变形，从而使密封条与座环工作面、封水环工作面更加紧密接合，达到止水的目的(图2)。

图2 上密封条受压示意图

②下密封条则是根据设计间隙保证密封条的压缩量。当蜗壳加压时，下镗口密封条受水压作用与压板贴住，断续受水压作用，垂直作用于密封条表面的反作用力使密封条向两侧变形，从而使密封条与座环工作面、封水环工作面紧密接合，达到止水的目的(图3)。

图3 下密封条受压示意图

3 封水结构缺陷分析

3.1 上密封结构

(1)由于座环上法兰面上预先钻有工艺导孔，其节圆直径为10 050 mm，孔径为50 mm，而封水环上部密封槽最大外径为10 000 mm。在水压作用下，将有25 mm的密封条位于导孔上部。受水压作用，密封条上部将与封水环槽面脱离而造成漏水。

(2)由于上部结构在充水后而无手段将密封条再次压紧，因此，一旦有漏水，需将蜗壳水放空后才能进行处理。

3.2 下密封结构

(1)根据设计原理，下部密封是预先考虑封水环与座环间隙来保证密封条的压缩量。一旦有漏水，通过调整压板预紧力只能向上移动密封条而起不到压缩密封条的作用，无法阻止漏水。

(2)由于封水环的圆度和座环下镗口圆度影响，密封条的压缩量不一定均匀而造成漏水。

3.3 密封条受力分析

根据封水环结构，密封条四面受力，其中水压方向为动压力，垂直水压方向为静压力。根据密封止水条件，表面上看静压力方向上密封条受力不再变化，初始封水就是靠静压力方向上的预压力来达到封水目的的，但随着水压升高，密封条向压板或密封外沿移动，最终水压压缩密封条向垂直水压方向变形而起到封水的作用。实际上，因密封条为圆形，其受力为向心力，随着水压增加，密封条不会因此而向两边变形，起不到封水作用。

4 解决方法

根据密封条止水条件，结合上述分析和安装图，对上下密封结构的止水结构进行了以下技术改进。

4.1 上环密封

对设计原图(图4)进行了以下改装(图5)。

图4 设计原图

图5 技改图

(1)将原座环工艺导孔进行封堵，并保证与座环法兰面同平面，从而保证密封条向外移动后不会因有空隙而造成密封条受力发生变化导致漏水。

(2)在座环上预焊一压码，如果还存在漏水现象，则用千斤顶增加密封条预压力来阻止漏水。水压试验完毕，将压码割除打磨。

4.2 下环密封(图6)

图6 设计原图

(1)在下环上止口处加装一周宽30 mm、厚30 mm钢性垫块(图7)，以保证压板将密封条压紧后压板与封水环之间还预留有5～7 mm间隙。通过压紧调整螺栓和在水封面加一周环形钢垫的措施，改变了密封条由动压受力方式转变为静压受力方式。

图7 技改图

(2)试验时，当水压升高，如果密封条两侧出现渗水不能保压时，通过压紧压板上的螺栓来压紧密封条，φ50密封条在上下受力时发生向两侧形变，使密封条与工作面紧密结合，从而达到止水效果。

5 结语

根据密封条安装方式及止水条件，要达到止水效果，应具备以下几个条件:

(1)密封条的密封比压力要达到临界值以上;

(2)经压缩后的密封条其截面积应大于密封槽面积。

在密封过程中，要有再次调整密封条压缩量的手段。

通过对封水环结构进行改进，官地水电站1号机蜗壳水压试验取得了良好的效果。在水压上升到1.9 MPa时，下密封出现了局部渗水现象，通过压紧下压板后再无渗水。继续升压到试验压力2.125 MPa(设计值)且保压30 min后，所有密封无一渗漏现象，试压一次成功。

首台机组的试验成功，为后面几台机组蜗壳的水压试验提供了强有力的技术保证，本次技术改进得到了厂家、业主、监理的好评，并提前了原计划蜗壳混凝土浇筑直线工期5 d，为首台机提前发电赢得了宝贵的工期，创造了间接经济效益。