二滩水电站尾水管锥管钢衬脱空原因分析及处理

杨银辉，韩先宇，闵四海，吴文勇

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都，610051）

1 概述

二滩水电站以发电为主，厂房布置在地下，共安装了6台单机容量为550 MW的混流式水轮发电机组，额定水头165 m。尾水管类型为金属窄高型弯肘尾水管，尾水管锥管进口至底板高19.545 m，锥管段进口至肘管水平部位均装设了厚度为25 mm的金属里衬，其中锥管段进口及其以下0.5 m区域金属里衬材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，其余部位金属里衬材质为Q235-B碳钢板。尾水管混凝土由菲力浦·霍尔兹曼-霍克梯央-葛洲坝工程局组成的联营体（SGEJV）负责施工，为防止钢里衬变形或移位，混凝土浇筑采用分层浇筑方式，共分10次进行浇筑。混凝土振捣采用人工平仓，利用插入式软轴振动棒和钢模表面附着式振捣器辅助振捣的方法。尾水管主要采用刷养护剂的方法进行混凝土养护。

2 尾水管锥管段钢衬脱空情况

电站首台机组于1998年8月投入运行，后续5台机组在一年内相继投入运行，至今已投运近20年。历年水轮发电机组检修时，均采用锤击法对尾水管钢衬与混凝土脱空情况进行了详细检查。检查发现1～6号机锥管段均出现了不同程度的钢衬与混凝土脱空现象，脱空面积为0.06～1.08 m2，多数脱空面积较小，通常在1 m2以下，大小不等，且各脱空点一般不互相连通。从脱空的位置和范围看，主要集中在尾水管进人门周边及其以上区域。2016～2017年尾水管锥管段脱空部位素描图见图1，图中1 872 cm为尾水管锥管段沿尾水管进人门中心的展开长度。

图1 1～6号机尾水管锥管典型脱空素描图Fig.1 Sketch drawing of the typical voiding of draft tube of the units 1～6

3 锥管段钢衬与混凝土脱空原因分析

3.1 尾水管里衬布置方式分析

根据每年脱空的位置和范围看，脱空的范围主要集中在尾水管进人门周边及其以上区域，经查阅相关图纸，尾水管锥管段上部50 cm为不锈钢里衬与混凝土连接，没有布置锚筋及筋板，这造成不锈钢里衬与周边混凝土结构整体性不强，在强烈振动时缝隙更容易张开引起脱空，而在这以下的锥管钢衬与混凝土连接均布置了大量锚筋。在振动时，尾水进人门背后没有混凝土的支撑作用，同时尾水进人门周边区域由于摩擦造成的粉末容易从尾水管进人门周边缝排出，因此尾水进人门周边更容易脱空。

3.2 混凝土施工工艺分析

机组尾水管肘管和锥管钢衬外侧混凝土为二期混凝土浇筑。为防止钢衬变形及移位，混凝土浇筑采用分层浇筑方式，共分10次进行浇筑，单次浇筑高度约1.5 m，浇捣纵深大，同时钢衬外侧布置了较多纵向锚筋，浇筑时振捣不密实或混凝土终凝后收缩等因素，导致尾水管施工时钢衬背部可能存在空隙。

3.3 水轮机运行方式分析

二滩水电站在系统中担任调峰调频任务，机组常在非最优工况和低负荷区运行，当机组采取这种方式运行时，尾水管中水流脉动压力较大，会引起尾水管强烈振动。图2为尾水锥管水压脉动分布图（以5号机为例），通过图2可发现，随着机组出力的逐渐增大，尾水管锥管水压脉动极值总体呈现出减小的趋势，在接近设计负荷时，尾水管水压脉动达到最小值且变化平稳。图3为机组下导摆度分布图（以5号机为例），通过对比尾水管锥管段的压力脉动与机组下导摆度发现，压力脉动和下导摆度的变化趋势是不同的。在小负荷区压力脉动出现最大值时，下导摆度在此区域内较小，在机组出力处于100～150 MW范围内时达到最大。其原因是机组处于小负荷区时，水压脉动频率不统一，且以中频和高频为主，此时尾水管中水流为紊乱状态，水压脉动主要通过噪声的方式来释放能量，出现常听到的“放炮声”。随着机组负荷的增加，压力脉动变为单一频率，水流也就从紊乱状态变为有序状态，从而形成周期性涡带，涡带产生的强大偏心力会带动机组产生摆动。涡带的旋转压力场恰好位于尾水管进人门上方，旋转压力场会引起尾水管强烈振动，长时间的强烈振动容易引起尾水管钢衬与混凝土的脱离。同时，钢衬与混凝土是两种不同的材质，在振动时会产生不同的振动频率，发生相对运动，引起钢衬与混凝土的摩擦，钢衬后面的混凝土和水泥结石被磨成粉末，从尾水管进人门周边缝渗出，进一步加剧脱空部位的发展。

图2 尾水锥管水压脉动分布图Fig.2 Distribution diagram of water pressure fluctuation in draft tube of tailpipe

图3 机组下导摆度分布图Fig.3 Distribution of the oscillating degree of the unit

4 灌浆材料的选择

二滩水电站曾对机组尾水锥管钢衬脱空部位进行过水泥接触灌浆处理，浆液水泥等级为42.5及以上，灌浆压力小于0.1 MPa，浆液水灰比为0.8和0.6两个比级，且加入了减水剂。根据投产以来近十年的情况，灌浆处理的机组运行一年后复检，发现脱空现象改善不理想，甚至每年都有新增脱空点。结合规程规范，参考已建工程处理经验，主要原因在于，机组小修时间短，一般只有15 d左右，期间进行灌浆后，水泥结石强度较低，机组运行后很容易马上脱空。此外，普通水泥接触灌浆难以达到理想效果，而化学灌浆材料因可调节各组分配比而具有良好的可控性，且其良好的扩散性使其更容易灌入脱空间隙中，故采用化学材料进行钢衬脱空区域灌浆更为合理。

环氧树脂和聚氨酯都可用于尾水管钢衬接触灌浆，但两种灌浆材料的侧重点不同。环氧树脂在补强方面成效显著，同时也能起到填充的作用；聚氨酯由于其自身体积可以在短时间内剧烈膨胀，所以它是一种很好的填充材料，在补强方面次之，因此选用环氧树脂作为化学灌浆材料更合适。

5 灌浆施工工艺

5.1 化学灌浆材料性能要求

环氧树脂浆液组分主要为环氧树脂，并加入一定比例的固化剂、增韧剂、促进剂和稀释剂。为满足要求，环氧灌浆材料特性需满足表1和表2条件。

表1 环氧树脂材料浆液性能表Table 1 Properties of epoxy resin slurry

表2 环氧树脂材料固化剂特性表Table 2 Properties of the curing agent in epoxy resin

5.2 脱空区域确认

灌浆前仍采用锤击法检查脱空部位，敲击人员应确定初次普查的钢衬脱空部位边界。敲击钢衬时应选定一人，中途不得换人，且整个敲击过程中应采用同一材质构成的锤子的同一锤头进行敲击，避免发生因敲击锤头不同或不同棱角交替敲击造成的锤击声音不一致，从而导致脱空区域边界确定不准确。在需要钻孔灌浆的脱空区域，要加大铁锤的敲击密度，避免因对脱空区域面积估算偏差较大导致浆量准备不充分、影响灌浆连续性的问题，同时可避免将两个相邻脱空区域误划为一个区域，导致后续灌浆不顺利。

5.3 布孔钻孔

在布设钻孔时，每个脱空区域最少布置2个钻孔，布孔应包含但不限于脱空部位的最低点和最高点。布孔时应根据锤击声音判断该处脱空的深浅，以便增加该处开孔的可灌性，避免出现灌浆时因无法排气造成的灌浆不顺畅。钻孔的布置原则是在满足规范的前提下，尽量减少钻孔数量，减小钻孔孔径，以减少钢衬破坏。钻孔的布置位置要避开钢衬接头、加筋环等部位。

5.4 灌前清孔

为了清除钢衬脱空部位的粉末和积水，并检测脱空部位的连通情况，在进行钢衬接触灌浆前应对灌浆部位进行冲洗。脱空部位应先用净水冲洗，再用风吹。用净水进行冲洗时，水流进口应设在高位孔处，由上往下冲洗，并应根据冲洗水量估算后续灌浆所需的浆量。用风进行吹洗时，进风口应设置在低位孔处，由下往上吹洗。水、风冲洗应循环进行，循环次数以排水孔排出洁净的水为准。冲洗时使用的风、水压力不能太大，否则可能导致新的脱空，通常可按实际灌浆压力的80%控制。冲洗时观察脱空区域的串通情况，只要通就会进浆，所以检查时风、水压力不必太大。

5.5 灌浆施工

灌浆前应估算好耗浆量，提前准备材料和灌浆设备，确保灌浆施工期间不会因为设备、材料的原因导致灌浆中断。灌浆压力一般控制在0.1 MPa以内，具体灌浆压力应以控制钢衬变形不超过允许值为准。为保证脱空区域充分灌浆，应从最低处孔开始灌浆，并在灌浆过程中用橡皮锤敲击钢衬，着重敲击浆液未到区域。待各高处孔出浆达到进浆浆液比重后，依次将其孔口封闭。在设计灌浆压力下，当灌浆孔停止吸浆后，应保持该灌浆压力，持续灌注5 min。

灌浆过程中若浆液注入量突然增大，应立即停止灌浆。由于二滩电站水轮机蜗壳外围混凝土采用充水保压的浇筑方式，在机组检修放空蜗壳积水时，蜗壳中上部与外围混凝土之间存在一定的空隙，尾水管钢衬脱空部位主要集中在锥管顶部范围内，距离蜗壳较近，因此当浆液注入量突然增大时，不排除裂缝串通的可能，如不及时停止灌浆，可能导致浆液串至蜗壳周边。

5.6 封孔

灌浆管与钢衬采用焊接连接，为防止钢衬不同材质在流道中发生电解等化学反应，焊条必须与钢衬原始材质一致，灌浆结束后用焊补法封孔，并应用砂轮将焊接处磨平。

6 结语

水轮机尾水管结构复杂，尾水管钢衬外侧二期混凝土浇筑纵深大，施工时难以做到混凝土振捣密实，导致尾水管钢衬存在脱空。尾水管锥管段上部0.5 m区域未设置锚筋是导致机组运行中钢衬发生脱空的重要因素，机组长期在非最优工况下运行加剧了钢衬的脱空。因此，一方面，要及时对尾水管钢衬脱空部位进行灌浆处理；另一方面，也要优化机组运行方式，避开涡带区和低负荷区运行，减少机组出力调整频次。