清远水泵水轮机蜗壳水压试验和保压浇筑技术特点

周忠浩，熊建平（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

清远水泵水轮机蜗壳水压试验和保压浇筑技术特点

周忠浩，熊建平
（东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310000）

摘要：介绍了广东清远抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳水压试验及保压浇筑技术特点，包括工装设计、水压试验和保压浇筑流程及方法，并对试验结果及有关问题作了阐述。

关键词：水泵水轮机；水压试验；保压浇筑

1　前言

水泵水轮机运行水头和转速往往都较高、工况转换频繁，为适应水泵水轮机运行特点，保证机组运行稳定性，蜗壳通常需要进行水压试验并采用保压浇筑。

蜗壳水压试验在座环和蜗壳安装、焊接及探伤检查完毕后进行，目的是验证蜗壳整体结构强度和焊缝质量，同时也有消除焊接内应力的作用。

蜗壳保压浇筑是指蜗壳内充水并保持在某一水压下浇筑蜗壳外围混凝土，待蜗壳上层混凝土达到一定强度后方可卸压、拆除水压试验及保压浇筑设备。由于蜗壳保压浇筑具有众多优点，在抽水蓄能电站机组中的应用已越来越普遍。

本文对广东清远抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳水压试验及保压浇筑工装结构设计、水压试验和保压浇筑程序作了介绍，对现场试验和浇筑的一些问题作了分析讨论。

2　蜗壳水压试验和保压浇筑工装结构设计

2.1主要参数

水泵水轮机额定水头:470m；

水泵水轮机最大扬程:509m；

蜗壳设计压力:7.64MPa；

蜗壳水压试验压力:11.47MPa；

蜗壳保压浇筑压力:3.8MPa；

封堵筒环直径:φ6 000mm；

封堵筒环高度:548.5mm。

2.2主要结构

蜗壳、座环、顶盖底环和封堵筒环结构如图1和图2所示。

图1　蜗壳外形结构简图

图2　蜗壳水压试验和保压浇筑装置结构简图

2.3封堵筒环

根据机组结构特点，封堵筒环主要可考虑以下两种结构方案。

（1）封堵筒环装在顶盖和底环之间

封堵筒环装在顶盖和底环之间，结构方案如图3所示，该方案的优点是封堵筒环高度方向尺寸小，结构重量轻，不需要另外制作顶盖与座环连接用的试验专用螺栓，制作成本低。缺点是顶盖分瓣面上需要增加一道密封，密封条相交处容易漏水。

图3　封堵筒环结构（方案一）

（2）封堵筒环装在座环和底环之间

封堵筒环装在座环和底环之间结构方案如图4所示。封堵筒环上部直接与座环配合形成一道端面密封，顶盖吊放在封堵筒环上面，并通过螺栓将顶盖与座环连接固定，用于平衡封堵筒环内向上的水压力，并压紧封堵筒环和座环及底环间的密封条。

此方案最大优点是密封可靠，顶盖分瓣面不需要为水压试验额外增加一道密封。同时增大了灌浆（或排气）管路安装空间，方便管路安装。

图4　封堵筒环结构（方案二）

经综合比较，最终确定采用方案二进行结构设计。

2.4灌浆排气管路

对于需要通过蜗壳内部灌浆（或排气）管路，一般采用现场配管焊接的方法。

清远机组蜗壳内空间较小，现场配管施焊困难。初步方案为采用高压软管连接方式(如图5所示),采用此方案对蜗壳座环灌浆孔和排气孔加工位置度要求较低，现场安装也较为便利。

图5　灌浆（或排气）管路采用软管结构方案

但高压软管难以承受保压浇筑时的外部水压,最终确定采用硬管方案，其结构如图6所示。由于一套工具需用于多台机组，厂内不作整体预装，硬管采用径向可调连接，连接孔在高度和圆周方向需保证尺寸精度。现场安装结果表明，此方案安装较为方便，是可行的。

图6　灌浆（或排气）管路采用硬管结构方案

3　水压试验

蜗壳水压试验是先通过闷盖上的注水孔向蜗壳内充水，再用增压泵分阶段打压至11.47MPa并保持30min，最后再分阶段泄压。

蜗壳水压试验包括闷盖和封堵筒环安装，进人门及测压孔等封堵、水压试验管路系统安装，蜗壳充水，升压试验，蜗壳排水、闷盖和封堵筒环拆除等工作。

3.1蜗壳水压试验前准备

（1）蜗壳内支撑解除、内部清扫并点检

因蜗壳采用高强度钢板，拆除支撑时需使用打磨机慎重地除去。气刨，气割会对母材造成意想不到的严重影响，所以严禁使用。

拆除支撑后，周围用打磨机加工平滑，进行浸透探伤检查（PT）确认无异常，深伤范围为焊接部至外侧50mm。

（2）安装蜗壳进口法兰闷盖

在密封槽安装O型密封条时，为了防止密封条脱落，在密封槽涂抹硅系列液体状填料或者合成橡胶系的粘合剂固定O型密封条。

（3）安装水压试验管路系统

上述工作完成后安装水压试验管路。

（4）关闭蜗壳进人门

必须在多人检查确认蜗壳内部没有作业人员之后再进行。

3.2水压试验原理

蜗壳水压试验原理如图7所示。

图7　水压试验原理图

3.3水压试验压力曲线

水压试验按水压试验压力曲线要求进行升压、保压和卸压。（如图8所示）

图8　水压试验压力曲线

在整个水压试验过程中，升压和降压速度不大于0.15MPa/min。

水压试验完成后，需要排空蜗壳、座环内部的试验用水，打开蜗壳进人门，对内部进行通风和干燥处理。对座环和顶盖进行必要的防护处理，法兰面和螺纹孔等机加工面涂防锈油，防止生锈。

4　保压浇筑

4.1保压浇筑基本参数

保压压力：50%的设计水压（3.8MPa）；

保压时间：至混凝土达到设计强度50%；

浇筑速度：小于300mm/h；

灌浆压力：0.2～0.3MPa。

4.2保压浇筑的作用

蜗壳保压浇筑主要有以下一些作用：

（1）蜗壳与外包混凝土之间的荷载分配比例可以根据需要选择，而且荷载分配明确可靠，可以保证水泵水轮机运行时混凝土承受一定比例的较小载荷，适当减小蜗壳外钢筋铺设量。

（2）利用外包混凝土联合承载有利于保证蜗壳的整体刚度和抗振性能，减小蜗壳及座环变形，有利于机组稳定运行。

（3）浇筑时蜗壳内不需要内部支撑，可减小内部加设浇筑支撑的成本。

（4）蜗壳内充水重力可抵消浇筑混凝土时蜗壳部分上浮力，蜗壳拉锚布置数量可适当减少。

4.3保压浇筑程序

4.3.1浇筑混凝土前的检查

（1）检查安装记录有无异常数据、有无漏记录项目。

（2）检查尾水锥管周边、底环周边、蜗壳周边。

（3）检查螺栓的紧固状态。

（4）检查调整螺栓、松紧螺旋扣、楔子板的止动状态。

（5）检查埋管路线、管路焊缝状态、支撑的安装状态、盲法兰的安装状态等。

（6）测量底环抗磨板面的水平度，并记录。

4.3.2混凝土浇筑准备

浇筑前在蜗壳外部按不同受力部位布置加固钢筋。外侧加固钢筋可一次性安装完成，也可根据需要进行安装。

安装灌浆和排气用的管路。

蜗壳上部要架设水平梁和水平仪监测浇筑时的倾斜、位移变化情况。

4.3.3混凝土浇筑

浇筑混凝土时要防止蜗壳座环倾斜，不能对固定金属零部件类及埋管等施加有害外力（浇筑混凝土时的冲击、振捣器的振动等）。

在浇筑过程中蜗壳内充水压力始终要保持3.7～3.9MPa之间，保压浇筑混凝土时间较长，要求专人记录压力变化情况，压力降至偏差范围时需及时启动泵增压；若混凝土固化时产生的热量使蜗壳内部水压上升至偏差范围时，应及时泄压至规定值。升压降压的速度在0.15MPa/min以内。

对蜗壳内加压时，要配置压力监管员，记录并监测蜗壳内压力的变化及水温的变化。

为防止座环变形等情况发生，混凝土浇筑上升速度应为200～300 mm/h，每层浇筑高度一般为0.8～1.0m，浇筑应对称、分层、分块进行。液态混凝土的高度一般控制在0.3m左右。两层混凝土的浇筑时间间隔需保证上层混凝土的静水压力不会传递给蜗壳。

浇筑混凝土时在底环抗磨板面上放置角式水平仪，测量并监测水平度有否变化。在蜗壳的进口封头处布置百分表监视蜗壳的位移。按实际情况调整混凝土浇筑顺序及浇筑速度。

4.3.4底环、蜗壳周边灌浆作业

浇筑混凝土后，应放置一段时间使其硬化，之后再实施灌浆作业。由于可能会发生突然升压等意外事故，应时常监测浇筑压力。另外，还要测量并记录底环水平度。

灌浆作业完成后，要确保硬化保养时间。

4.3.5拆卸蜗壳保压浇筑工装

混凝土浇筑工作结束后，蜗壳内水压需保持20～25 d，待蜗壳上层混凝土达到一定强度后方可卸压拆除水压试验设备。

5　水压试验情况

清远1号机蜗壳现场水压试验于2013年2月5日进行，试验从下午14∶40开始至晚20∶40顺利完成。虽然总体上比较顺利，也有一些今后需要注意的地方。

5.1灌浆孔丝堵漏水原因及解决方案

在水压试验过程中，发现灌浆孔丝堵有多处出现滴水现象，但漏水没有随着压力升高而增多，分析原因，是由于丝堵为直螺纹丝堵，密封不良。作为对策，丝堵外加焊一块封板，并作焊缝PT探伤检查，保证不漏水。

5.2试压泵容量问题

清远1号机蜗壳现场水压试验升压花费约5.5h，时间偏长。

设计选用一台功率为3 kW、压力16MPa，流量150 L/h的四缸柱塞试压泵，容量偏小。而市场上压力等级16MPa的试压泵规格有限，流量再大一点的试压泵流量都在1000 L/h以上，不适用。

为了加快升压速度，缩短试验时间，采用增加一台同型号试压泵方法，在耐压试验时二台泵并联共同打压，而在保压浇筑时只用其中一台即可。

二台泵共同打压需要的升压时间约2.5 h，从升压时间上看较为理想。

6　结语

清远抽水蓄能电站水泵水轮机蜗壳水压试验最大压力值为11.47MPa，蜗壳浇筑保压压力值为3.8MPa。进行如此高压力的蜗壳水压试验和保压浇筑，对设计、制造和安装都是一个严峻的考验。

清远蜗壳水压试验和保压浇筑的顺利完成，进一步验证并完善了东芝水电水泵水轮机水压试验技术，对今后类似机组的设计制作具有参考借鉴作用。

参考文献：

[1]何少润.高水头水轮机蜗壳水压试验论述[J].水电站机电技术，2000（1）.

[2]张胜平，刘加华，孟志杰，等.高水头蜗壳水压试验技术研究[C].抽水蓄能电站工程建设文集，2007.

中图分类号：TK730.3+12

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）02-0048-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.013

收稿日期：2014-10-15

作者简介：周忠浩（1967-），男，工程师，从事水轮机设计工作。