高水头抽水蓄能电站蜗壳水压试验技术研究

周若愚

(中国水利水电第三工程局有限公司，陕西 西安 710024)

丰宁抽水蓄能电站二期工程安装4台(7～10号机)单机容量300MW的定速水泵水轮机-发电电动机组和2台(11～12号机)单机容量300MW的变速水泵水轮机-发电电动机组，水泵水轮机最大水头460m,最小水头387m，额定水头425m，机组额定转速428.6r/min。蜗壳材质为HD610CF高强钢，最大板厚为65mm，蜗壳分22节及3节蜗壳延伸段，共设置两个凑合节，分别为第1节和第12节。

在抽水蓄能电站中，蜗壳的作用非常重要。蜗壳是水轮机引水部件，安装在进水阀和座环之间，使从高压管道进来的水流均匀对称地进入转轮四周，完成水流动能转换为压能的任务。高水头蜗壳安装焊接完成后必须进行蜗壳水压试验,蜗壳水压试验的主要目的是检验水轮机蜗壳焊缝的焊接质量；对座环、蜗壳的承载力进行验证，以确保座环、壳体在各种工况下运行安全；测量蜗壳水压试验时的膨胀量并消除因焊接引起的焊接应力，使壳体应力分布更趋于均匀。在蜗壳保持一定压力的状况下，进行二期混凝土浇筑与回填灌浆，以取消常规使用的弹性层，用蜗壳中的水带走蜗壳外包混凝土凝固产生的热量，从而避免因混凝土水化热引起的座环、蜗壳变形。检验蜗壳设计的合理性和安装质量是检查焊缝焊接质量及消除焊接应力、实现蜗壳与钢筋混凝土联合受力的一项重要措施,是确定机组安装能否进入下一道安装工序的关键环节。

1 水压试验内容及关键技术工艺

蜗壳水压试验内容包括：封水环、试验闷头、蜗壳进人门安装，打压管路系统安装、蜗壳充水、升压和降压试验及保压浇筑，蜗壳排水和闷头、封水环拆除等。

a.蜗壳水压试验的关键施工步骤包括内支撑解除、打压设备安装、蜗壳充水打压、保压浇筑混凝土、蜗壳排水和闷头、封水环拆除等。

b.蜗壳水压试验完成后将蜗壳水压泄至零，复测蜗壳座环高程、方位及水平(必要时重新调整)。蜗壳座环高程、方位及水平合格后，根据蜗壳座环地基图配割并装焊φ30圆钢Q235B、M30拉紧器，并按要求预紧。将座环支腿与垫板、垫板与基础板点焊固定；将蜗壳支腿与垫板、垫板与基础板点焊固定。

c.保压浇筑混凝土。首先保压浇筑蜗壳腰线以下混凝土，蜗壳腰线以下混凝土浇筑完成后，用于蜗壳加固的拉锚需割开，并将蜗壳外部受力点处背板(100mm×100mm方板)割除后打磨光滑并表面探伤合格，再保压浇筑蜗壳中心线以上混凝土。

d.蜗壳水压试验在打压保压方面较为关键，所以在充水前应逐个对密封处进行检查，确认合格后方可充水。

2 打压设备安装工艺

2.1 蜗壳打压设备及水源准备

2.1.1 蜗壳打压设备布置

蜗壳设计压力为7.47MPa，水压试验压力为11.2MPa，打压试验泵的扬程H=1600m，流量Q=0.66m3/h，功率为5.5kW，型式为三柱塞高压往复泵，型号：SHP35-660/20，过流材质2Cr13，固定式安装。

水压设备布置在高程961.5m球阀层尾水锥管进人廊道位置，以操作方便、不妨碍监测、保压浇筑为原则。蜗壳水压试验用管路安装后要求单独打压，水压为试验最高压力(11.2MPa)并保压30min。电动试压泵试水，按试压泵设计说明书要求对试压泵进行试运转，检查试压泵性能能否达到说明书使用要求，确认该泵能正常工作；蜗壳水压试验布置及压力试验系统见图1、图2。

图1 蜗壳水压试验布置

图2 压力试验系统示意图

2.1.2 蜗壳供排水管路布置

按座环蜗壳打压工具图，在蜗壳排水管(φ168×10)上安装引水管、排水管、阀门并连接高压软管。保压浇筑完成后排水，通过设计的蜗壳层周边排水沟与预埋的竖向排水管汇集排至尾水层检修排水廊道内，通过设置沙袋挡水槛，布置2英寸水泵接引PVC排水管至2号含油污水处理池，2号含油污水处理池内设置1台2英寸的污水泵接引2英寸PVC排水管通过蜗壳层预留的吊物孔、沿二期厂房上游边墙经二期厂房下部施工支洞至下部交通洞H0+930.00处沉淀池，沉淀池内设置的1台3英寸污水泵(扬程160m，流量30m3/h，功率30kW，出水口径75mm)，将沉淀池内污水通过3英寸排水主管经下部交通洞排至2号尾水隧洞施工支洞内的钢制集水箱。

厂房施工供水从2号通风洞端头位置的12m3钢制水箱内接引一套2英寸PVC供水管通过水压自流供二期厂房主机间施工用水。在机组上游侧接引一根施工用水供水管，接至打压设备的引水管上，从引水接口向蜗壳充水，待蜗壳充水完毕(顶部排气孔开始冒水)，先后关闭截止阀、球阀和排气孔，加注水完成后，检查所有阀门和所有孔洞是否漏水。外部供水见图3。

图3 外部供水示意图

2.2 封水环安装

水压试验封水环为钢筒，封水环壁厚为70mm，外径为5500mm，内径为4500mm，与座环、封水环法兰采用“O”形密封圈密封，封水环总重量为19.5t。座环/蜗壳安装焊接验收完成后，将蜗壳内清理干净。封水环吊装前，测量座环与封水环配合平面的平面度，要求每个平面的平面度达到0.20mm/m(注意座环分瓣焊缝部位的水平需满足要求)，否则应进行打磨，并对打磨量做好记录，供后续座环加工时参考用。

封水环吊装前先在座环下环板垂直密封面上安装两圈φ16耐油橡胶圆条，并牢靠地固定在座环上，然后根据封水环上的密封槽尺寸配割、黏结并安装φ10耐油橡胶圆条(注意接头处应处理好)。

将封水环按图纸位置用桥机吊装就位，调整封水环与座环上、下密封面同心，同心度不得大于1mm，缓慢下降确保座环下法兰垂直密封面上黏结的密封条不被破坏。按照上述要求调整合格后，再按照设计要求拧紧座环与封水环之间的把合螺栓(M30双头螺栓，预紧力为216.5kN)。封水环安装见图4。

图4 封水环安装图(单位：mm)

2.3 试验闷头安装

试验闷头为半球体结构，壁厚为65mm，法兰外径为3220mm，法兰内径为2300mm，与延伸段法兰采用“O”形密封圈密封，闷头总重量为10.34t。

根据蜗壳打压管路图安装密封圈。将试验闷头吊装就位，安装连接螺栓和螺母，并按照设计要求对螺栓进行拉伸，根据相应的图纸安装蜗壳打压工具的其余零部件并进行相应的试验检查，蜗壳打压工具的零部件安装检查合格后，按图进行相应管路的连接并进行相应的通流试验和压力试验。

2.4 蜗壳进入门及水力管路安装

根据蜗壳延伸段图安装“O”形橡胶密封圈，将蜗壳进人门连接螺栓清理干净并试装配合格。安装连接螺栓，并按照设计要求对螺栓进行拉伸。

按要求安装蜗壳测压管路、蜗壳消水环管、蜗壳回水排气管及蜗壳排水管。

2.5 变形监测设施布置

座环蜗壳上布置变形测量仪表。在座环+X、-X、+Y、-Y四个方向安装检测支架，焊在下部混凝土预埋基础上，每个支架设2块百分表分别用于测量座环上法兰面轴向位移、径向位移及座环下法兰面的轴向位移、径向位移；在蜗壳4个断面的水平及垂直部位共布置8块百分表，用于监测试验时蜗壳的变形与座环的水平变化；蜗壳闷头布置1块百分表；蜗壳直管段布置2块表；蜗壳舌板(鼻端导叶)处布置1块百分表。共布置20块百分表。测量仪表布置见图5。

图5 水压试验测量仪表布置

3 水压试验工艺

3.1 试压注意事项

蜗壳水压试验过程中不得带压对各种仪表、阀体进行拆换；加压时应精心操作，升降压力不得过快。加压不得超过设计值，蜗壳、测压管、表计、阀体应做好标记，不得进行焊接、切割、损坏，水压试验后对测压管进行保护；水压试验过程中严禁对蜗壳敲击、焊接。

3.2 蜗壳充水

按厂家图纸将所有管道、阀门及试压泵组等部件安装、调试完毕，并检验有无泄漏。打开蜗壳充水阀门及顶部排气阀，从引水接口向蜗壳充水(厂房供水管流量约为0.14m3/min，蜗壳充水时间约为10h)，待蜗壳充水完毕(顶部排气孔开始冒水)且压力表显示0.1MPa后，先后关闭截止阀、球阀和排气孔。加注水完成后，检查所有阀门和所有孔洞是否漏水。

各装置应保证拆卸方便，以便在出现问题时方便更换。蜗壳水压试验的水温不低于5℃，用红外测温仪监测。

3.3 水压试验

蜗壳打压试验工具安装合格后，对蜗壳进行充水，蜗壳充水时将排气阀打开，观察排气阀，当蜗壳充满水后关闭排气阀阀门；在蜗壳充水过程中，检查蜗壳测压接头、蜗壳排水阀、蜗壳取水口、封水环、封水环管路接头等部位的渗漏情况，应无渗漏。否则，应对蜗壳进行排水处理，处理完渗漏点后再次充水。

蜗壳充水检查合格后，按照打压试验过程图的要求，对蜗壳进行打压试验，在蜗壳加压过程中，检查蜗壳测压接头、蜗壳排水阀、蜗壳取水口等管路接头部位的渗漏情况，应无渗漏。水压试验最高压力为11.2MPa，蜗壳加压速率控制在0.2MPa/min，减压速率控制在0.4MPa/min。

试验过程：0MPa→2.33MPa(保压5min)→1.17MPa(保压5min)→4.67MPa(保压5min)→2.33MPa(保压5min)→7.47MPa(保压5min)→3.73MPa(保压5min)→9.33MPa(保压5min)→5.28MPa(保压5min)→11.20MPa(保压30min)→7.47MPa(保压30min)→3.73MPa(保压浇筑混凝土)。

蜗壳座环压力试验过程见图6。

图6 蜗壳座环压力试验过程

按照升压—保压—降压的要求，多次、分步加压，加压按照厂家技术要求进行，参见图6。采取多次、曲折、分步加压，一是更好地消除焊接应力，二是确保水压试验的安全性，因此加压速度及压力值、保压时间、降压速度及压力值都应严格按照曲线要求进行，不得随意施压。升降压速度通过打压泵进行设定，加压人员要精心操作。

前25min将压力升到2.33MPa,保持5min后降压至1.17MPa，保持5min，如此依次按照蜗壳打压流程曲线图进行。在保压过程中，认真检查焊缝是否有渗漏，对蜗壳焊缝及密封部位进行全面检查。如出现渗漏或焊接开裂情况，应立即进行应急排水，且排水的降压速度不宜过快，与正常降压速率相同。

4 水压试验结论

丰宁抽水蓄能电站10号机组蜗壳水压试验蜗壳、座环监测数据见表1、表2。

表1 水压试验蜗壳监测 单位：mm

表2 水压试验座环监测 单位：mm

蜗壳异常位移设计值：最大综合位移为3.6mm，最大径向位移为2.34mm，最大竖向位移为1.49mm。通过对以上数据进行分析，得出如下结论:ⓐ设计压力7.47MPa时，蜗壳最大变形量为2.11mm(+X水平方向)，接近设计值，其余数值均小于设计变形量；ⓑ压力为11.2MPa时，蜗壳最大变形量为3.34mm(+X水平方向),为设计值的1.4倍，考虑到蜗壳变形与焊接、安装等多种因素有关，最大变形量不超过设计值的1.5倍，满足设计要求；ⓒ座环变形值均满足设计要求。

5 结 语

蜗壳水压试验可对蜗壳、座环的设计、制造、焊接、安装整体稳定性设计和蜗壳引水系统安全运行必须承载的压力进行验证，通过水压试验发现问题后可及时进行处理和设计优化，以确保蜗壳和座环系统的安全运行。通过水压试验,也可减小或消除蜗壳管节因热加工和焊接产生的残余应力。

丰宁抽水蓄能电站额定水头425m，属于抽水蓄能电站中额定水头较高的电站，为确保蜗壳的设计、制造和安装质量，满足机组长期安全、稳定运行的要求,需在蜗壳/座环安装完成后且未浇筑蜗壳外包混凝土前,对蜗壳/座环进行水压试验。蜗壳水压试验采用阶梯式升/降压过程，升压至1.5倍设计压力即11.2MPa后保压30min。此次水压试验技术要求高,难度大,是对蜗壳设计、制造和安装质量的全面考验。经过0～11.2MPa的水压试验，各项技术指标都达到安全运行标准和合同技术要求。