水电站顶盖均压管汽蚀原因分析及改进措施研究

雷明川

（四川华电泸定水电有限公司，四川 成都 610000）

1 前言

水轮机顶盖均压排水管是水电站水轮机组顶盖的重要组成部分,对整个机组的正常运行起着至关重要的作用。均压管布置于在止漏环和主轴密封之间，通过均压管将转轮上冠与顶盖内腔相通，达到转轮上冠与顶盖内腔压力与尾水轴管腔压力一致，从而降低水轮发电机组轴向水推力的目的，防止机组在不良工况或甩负荷时出现抬机现象影响机组安全稳定运行。

某电站每台机组对称布置有10根均压排水管，材质为20#，其安装位置如图1所示，顶盖均压排水管主要由直管、弯管、扩散管焊接构成。

图1 顶盖均压排水管安装示意图

该电站顶盖均压排水管电站投产4年后顶盖均压排水管斜管段出现管壁磨穿漏水现象，如图2所示，穿孔部位都在斜管段与顶盖焊接缝上端30mm左右，采取临时加固措施后运行正常。但在以后的机组检修中，探伤报告显示个别均压管上弯处减薄程度达30%。

图2 顶盖均压排水管穿孔情况

若顶盖均压管发生管壁磨穿漏水现象没有及时发现，可能会造成水淹厂房事件，发生机组非停事件。其次，顶盖均布10根均压管，由于某根管壁磨穿漏水后，作用在顶盖与转轮上腔之间的轴向水压力会发生不平衡，会逐步加大机组振动，造成机组轴承瓦温升高，使轴承损坏，造成机组非停事件。最后，每年机组检修期间对原顶盖均压管检修维护时会增加检修人员焊接和打磨伤人、摔伤跌落风险。

2 原因分析

管道内流体流经拐弯处或环焊缝等局部不规则表面时会发生速度变化并形成紊流，并对不连续处产生附加的切向应力，且当环焊缝中存在错边、咬边等缺陷时，该现象更严重。该研究还表明，错边量越大，管内流体在流经焊缝区域时的径向速度和紊流动能也迅速增加，表明流体对该处内壁表面径向的冲击作用越强，该区域的紊流程度越激烈，冲刷作用也越强。紊流进入光滑相对平直的管道后紊流现场后减少并逐步变为层流，层流的水对管道的冲刷和汽蚀作用很小。

经综合分析，该电站均压管出现管壁磨穿漏水原因主要有三个：首先，该电站顶盖排水管拐弯大、拐点多，特别在入口处，入口处突变，通道突然变小，紊流现象最突出，电站排水管根部和入口的本体冲刷都极为严重；其次，使用均压管材质属于低碳碳素钢，该钢强度低；最后，该电站水质较差，特别是在汛期泥沙含量较重，进一步促进了管道的磨损。

3 顶盖均压排水管改造

3.1 改造原理

实际液体由于存在黏滞性而具有的两种流动形态，液体质点作有条不紊的运动，彼此不相混掺的形态称为层流。液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态叫作紊流。它们传递动量、热量和质量的方式不同：层流通过分子间相互作用，紊流主要通过质点间的混掺，紊流的传递速率远大于层流。一般充满水的低压管道为层流。

管道内流体流经拐弯处或环焊缝等局部不规则表面时会发生速度变化并形成紊流，并对不连续处产生附加的切向应力，且当环焊缝中存在错边、咬边等缺陷时，该现象更严重。该研究还表明，错边量越大，管内流体在流经焊缝区域时的径向速度和紊流动能也迅速增加，表明流体对该处内壁表面径向的冲击作用越强，该区域的紊流程度越激烈，冲刷作用也越强。紊流进入光滑相对平直的管道后紊流现场后减少并逐步变为层流，层流的水对管道的冲刷和汽蚀作用很小。

该电站顶盖排水管拐弯大，拐点多，特别在入口处，入口处突变，通道突然变小，紊流现象最突出，电站排水管根部和入口的本体冲刷都极为严重。顶盖排水口加装一圆形水箱,相当于将流道突变量改为二级，突变量减少。当压力水进入圆形水箱时，由于水箱的断面大于出口管，水流速突然减少，已存在水箱内的水对水流产生阻碍减少水流紊乱，特别对圆形水箱内形成的压力脉动可以起到缓冲均压作用从而减少压力水对进水口的冲刷，也会减少排水管的振动。

经对原顶盖均压排水管和改造后的顶盖均压排水管进行三维数值模拟分析，数值分析结果表明，在顶盖出水口改为圆形水箱后，当压力水进入圆形水箱时，由于水箱断面大于出口管，水流速突然减少，已存在水箱内的水对水流产生阻碍减少水流紊乱，特别对圆形水箱内形成的压力脉动可以起到缓冲均压作用，从而减少压力水对进水口的冲刷,也会减少排水管的振动。因此，在顶盖排水口出加装圆形水箱具有可行性。

3.2 实施改造

根据机组检修计划安排，首先对该电站4号机组顶盖均压排水管进行改造。为了减轻紊流对管道的冲刷和汽蚀作用，设计在顶盖排水口加装一圆柱形水箱，如图3所示。相当于将流道突变量改为二级，突变量减少，当压力水进入圆形水箱时，由于断面大于出口管，水流速突然减少，已存在水箱内的水对水流产生阻碍减少水流紊乱,特别是压力脉动时圆形盒内的水可以起到缓冲均压作用，从而减少压力水对进水口的冲刷,也会减少排水管的振动。

图3 顶盖均压排水管改造图

圆形水箱采用的材质为304不锈钢，尺寸为Φ345×20，倾斜方向按原顶盖均压管直管段倾斜角度加工配管，并按现场实际情况保证圆形水箱、弯管、扩散管中心线在同一平面内。

无缝钢管、弯头均选用304不锈钢，并将壁厚增至10mm厚，将成品无缝钢管、直角弯头根据现场实际尺寸配管，使圆形水箱、弯管、扩散管中心线在同一平面内，并保证顶盖上的10根均压管在圆周方向的倾斜角度为一致。

焊接时，不锈钢管道对接焊缝采用氩弧焊，不锈钢与碳钢采用电弧焊，焊材为不锈钢。

焊缝渗透探伤的检验程序包括预处理、预清洗、渗透处理、去除处理、干燥处理、显像、观察和后处理等。经检测，所有的焊缝检测结果全部合格。

4 结语

经过1个检修周期的运行考验，在机组检修时，对改造后的顶盖均压排水管进行金属无损检测，所有管路壁厚、管路焊缝均满足设计要求，运行期间检查顶盖均压管各焊缝无渗水情况，振动及声音明显小于改造前的顶盖均压管，实现了改造处理的预期效果。对顶盖均压排水管改造后，均压管使用寿命是改造前的1倍，不会再因为管壁磨穿后临时采取加固措施，因此可节约采取临时加固的材料费用。每年因对原顶盖均压管检修维护会加长机组检修工期，将顶盖均压管出水口改造成圆形水箱后，定会缩短机组检修工期，使机组能提前完成检修并入网，增发电量，创造经济效益。