淺析立軸混流式水輪發電機蝸殼耐壓試驗

劉旭林

（廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340）

淺析立軸混流式水輪發電機蝸殼耐壓試驗

劉旭林

（廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511340）

巴基斯坦帕春水電站為引水式電站，引水系統為一管三機，最高水頭為115.47 m，蝸殼額定工作壓力為1.6 MPa。因是韓國K-WATER首次涉足國外第一個水電BOT項目，首次采用來自中國的機組設備，對機組的設備性能不是很放心。業主方要求現場做此項試驗，驗證蝸殼承載力是否達到設計要求，確保電站機組日后運行安全。

帕春水電站；立軸混流機組；水機蝸殼；水壓試驗

1 前言

1.1 電站概述

帕春水電站位于巴基斯坦克什米爾特區Muzaffarabad市，下游約2 km杰赫勒姆河的左岸。電站廠房內安裝3臺立軸混流式水輪發電機組，機組最大水頭為115.47 m，額定水頭為107.3 m，最小水頭為106.24 m，額定流量為51.22 m3/s，額定轉速為300r/min，水力推力為1210kN，額定輸出51026kW。1.2蝸殼主要結構參數

帕春電站壓力鋼管進水口工作壓力1.6 MPa，試驗壓力2.4 MPa。水輪機蝸殼設計包角328°，全蝸殼管共23節，采用Q345R鋼板卷制，板厚20～30 mm不等，座環和殼體總重50 t。整個蝸殼共分六大段，有兩大段每段由九節組焊成型，其余為單節。蝸殼均為圓形斷面，以蝸殼管節腰線中心點作為管節中心和水平高程安裝調整的控制點。

2 蝸殼耐壓試驗及檢測

2.1 蝸殼水壓試驗的目的和方法

（1）帕春水電站水輪機蝸殼采用保壓澆筑施工工藝。金屬蝸殼耐壓試驗是對座環、蝸殼的承載力的驗證，以確保座環、殼體在各種工況下運行安全；水壓試驗還可以消除和改善部分焊接應力，使殼體應力分布更趨于均勻。也是對業主方所提出的要求兌現。

（2）水壓試驗從零壓開始，以每分鐘0.2 MPa的速度給蝸殼加壓；升至1.0 MPa，保持30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況；升至2.0 MPa，保持30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況；當壓力升至2.4 MPa,保持30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況。降壓時蝸殼內水壓以相同的速度在以上幾個工況點逐漸下降，并逐點記錄每個工況點的變形。試驗完成后將水壓升至1.0 MPa保壓澆筑混凝土。蝸殼水壓試驗曲線見圖1。

圖1 蝸殼水壓試驗圖

2.2 蝸殼水壓試驗百分表監測布置

水壓試驗變形監測按廠家提供的方案進行，根據監測方案制作安裝百分表表架，水壓試驗百分表監測位置分布:直管段垂直、水平；座環法蘭上環板軸向、徑向；蝸殼體軸線方向的垂直、水平。監測位置見圖2。

2.3 蝸殼水壓試驗準備工作

帕春電站2號機組蝸殼水壓試驗前，先檢查各閥門安裝是否正確及是否打開，檢查水壓試驗設備安裝、運行是否可靠。根據測點位架設百分表，表針并調至5.00 mm，作初始監測記錄。對蝸殼進行注水，根據水位情況記錄百分表測量值，巡視蝸殼體各密封滲漏情況，注滿水后關閉上、下閥門，記錄百分表測量值，將注滿水的蝸殼體擺放12 h，擺放足時后檢查殼體有無滲漏現象，并記錄百分表測量值。

圖2 蝸殼百分表監測位置

2.4 水壓試驗

（1）升壓試驗

2015年9月13日室外溫度35℃，水壓試驗水溫15℃。水壓試驗從零壓開始升壓，以每分鐘0.2MPa的速度用打壓泵給蝸殼升壓，壓力升至1.0 MPa時停止加壓，關閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，用紅外測溫儀測量殼體溫度，意外發現第一節直管段殼體溫度有變化，并記錄溫度及百分表測量變形情況；足時后開啟泵前閥門，啟動加壓泵以每分鐘0.2 MPa的速度升壓至2.0 MPa，停泵關閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄溫度、變形情況；足時后開啟泵前閥門，啟動加壓泵以每分鐘0.2 MPa的速度升壓至2.4 MPa,停泵關閉泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄溫度、變形情況。蝸殼管節圖見圖3。

圖3 蝸殼管節布置

（2）降壓試驗

升壓試驗完成后開啟泵前閥門，打開加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至2.0 MPa,先關閉卸載閥然后關泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況；足時后開啟泵前閥門，打開加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至1.0 MPa,先關閉卸載閥然后關泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況；足時后開啟泵前閥門，打開加壓泵安全卸載閥緩慢降壓至0 MPa，先關閉卸載閥然后關泵前閥門保壓30 min，檢查有無異常現象，測量并記錄變形情況。

（3）保壓檢查

打開泵前閥門啟泵升壓至1.0 MPa，關閉泵前閥門保壓。再次檢查座環的中心、高程、平面度等符合要求，重新加固座環，使座環在澆筑混凝土時盡可能減小變形。保壓并等待澆筑混凝土。

3 水壓試驗原因分析

（1）從水壓試驗溫升數據看（見表1），蝸殼體第1節溫升變化較大，第3節溫度稍有變化，末端第24節溫度變化甚微。可以看出靠打壓泵越近溫度變化越明顯，因打壓泵在加壓做功時，壓力越高摩擦力越大，因摩擦所產生的熱量傳遞給加壓的水，致使加壓注入的水，熱量向四處擴散傳熱，導致較近的幾節管溫度上升，第13節管至末端23節傳熱緩慢溫升變化較小，由于水壓試驗工作時間較長，室外日照度強氣溫不斷升高，引起殼體正表面溫度有所上升，因蝸殼水容量大傳熱效果慢，上升溫度不大可忽略不計。

表1 蝸殼水壓試驗時溫度變化 單位：℃

（2）管道熱膨脹量計算公式ΔL=αLΔt，Q345R的熱膨脹系數α=1.06×10-5，按蝸殼體測量區域每平方米溫升1℃（長度L=1m），殼體徑向膨脹變形量ΔL=αLΔt=1.06×10-5×1×1=0.0106 mm。通過對表1的數據進行分析，第1節管節測得溫度最高溫差為：Δt=8℃，熱膨脹變形量為0.085mm。

（3）根據此熱膨脹變形量計算出，因建壓產生的上升溫度，而導致變形所產生的內應力σ=E×(△L/L) =17 MPa；Q345R鋼板的屈服強度則是345 MPa，因此內應力遠遠小于其屈服強度，建壓所產生的溫度變形內應力對打壓試驗影響不大。

圖4 水壓試驗百分表量測曲線圖

（4）從水壓試驗百分表測量記錄的數據所顯示的壓力和變形量關系的曲線圖分析（見圖4），從測點9號表至17號表的測量數據均比較理想，只有座環法蘭里襯環板測點-Y位置3號表、-X位置7號表，及直管段-X位置18號表記錄數據均為負值；原因分析認為蝸殼體是由若干段小節組合焊接而成，焊接內應力不能夠完全釋放，在加壓的過程中可能會在某區域某位置形成逆向變形狀態出現；連貫整個法蘭量測數據，及自身量測壓力變化數據過程看，從升壓到降壓回零曲線顯示沒有突變峰值或線性不對稱現象，故認為是殘余應力所致且變形量較小，在廠家設計要求允許范圍內。

4 結語

蝸殼水壓試驗對設備本體的設計、制造、安裝及整體性能成功地進行了驗證，為確保蝸殼引水系統安全運行提供了有力的依據；本次水壓試驗各項指標符合廠家設計要求，達到了安全運行標準和合同技術要求。

[1]趙金城.高溫下鋼材力學性能的試驗研究[J].建筑結構，2000.30（4）26-28.

[2]馬能武，唐培武，葛培清，等.粘土心墻堆石壩施工初期滲流控制及滲后監測[J].人民長江,2014,41(20):82-85.

TK730.3+12

B

1672-5387（2017）08-0011-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.004

2017-05-23

劉旭林（1971—），男，工程師，從事機電安裝技術工作。