吉布Ⅲ水電站蝸殼水壓試驗

馮偉

摘 要：介紹了吉布Ⅲ電站蝸殼水壓試驗的目的、方法、監測手段、表計布置，對蝸殼、座環的材質性能及焊接方法、檢查手段也進行了概略的介紹。同時，簡要地對試驗結果進行了分析。

關鍵詞：蝸殼；座環；焊接；水壓試驗；變形；監測

中圖分類號：TV732.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0199-03

1 概述

埃塞俄比亞吉布Ⅲ水電站總裝機10臺混流式水輪機，單機容量187MW，該電站為目前非洲已建成的最大容量水電站，也是目前我公司最大單機容量的出口項目。水輪機額定水頭193.5m，最大水頭214.0m，最小水頭176.0m，額定出力187MW，最大出力205.7MW。

2 參加水壓試驗部件

2.1 座環

座環由190mm厚的上、下環板和23個固定導葉組焊構成，外徑5.8m，高度2.5m，總重約55t。由于運輸限制，在工廠分兩瓣制造，運至廠房機坑后將其用螺栓把合，然后焊成整體。

2.2 蝸殼

金屬蝸殼過流斷面為圓形，包角345°，由在工廠加工成型的25節瓦片組成，在工地掛裝在座環上，然后焊成整體。

（1）蝸殼設計壓力為水輪機運行出現的最大壓力（含水錘壓力升高），其值為3MPa，組焊完后進行1.5倍設計壓力的水壓（4.5MPa）試驗。（2）從機組和建筑物整體安全考慮，采用了蝸殼和機墩混凝土聯合受力設計，規定蝸殼要保持相應于水輪機最小水頭的水壓（1.76MPa）的90%壓力（1.58MPa）下澆筑混凝土。即當機組出現高于1.58MPa的水壓力時，蝸殼外圍的鋼筋混凝土才分擔部份荷載，若機組運行水壓力低于1.58MPa時，蝸殼單獨承受水壓力，且蝸殼與混凝土之間會出現一定間隙。

2.3 封水環

封水環由上、中、下三圈環板和立圈拼焊而成。在上環板上有20個￠72通孔，下環板上有20個M36螺孔用于把合固定封水環。中、下環板各加工一道密封槽，密封槽深度為6mm，寬度10.2mm。由于這兩道密封為封水環關鍵的封水手段，密封效果直接影響水壓試驗成功與否，因此在封水環安裝到位之后以及水壓試驗過程中，須用塞尺檢查封水環與座環密封面間隙。充水前，封水環下密封面的間隙應小于0.50mm，升壓過程中，間隙應小于1mm。

2.4 悶頭

悶頭形式為以內徑為基準的標準橢圓形，內徑4.2m，板厚50mm，總重約13.2t。悶頭上共預留有三個孔，分別為排氣兼測壓孔、增壓進水孔兼排水孔以及主排水孔。并且悶頭直線段留有一定的配割余量，以便前面的機組試驗完后，割下悶頭重新開坡口用于后續機組。

3 蝸殼的水壓試驗

3.1 試驗標準

水壓試驗是檢驗座環蝸殼安裝焊接質量的綜合手段，考驗材料及焊縫的強度及整體剛度，通過水壓試驗還可消除部分焊接應力，使應力分布趨于均勻。試驗壓力為1.5倍設計壓力，即4.5MPa。為使試驗安全、測試準確并利于消應，試壓過程采用逐級增壓的方法，每次間隔0.5MPa，保持壓力15分鐘并觀測和記錄，在4.5MPa壓力下保持0.5h，然后逐漸降壓至零。

3.2 水壓試驗前的準備工作

（1）蝸殼焊縫探傷檢查合格后，按要求打磨內外表面并檢查合格。焊縫檢查方式根據圖紙設計要求，現場焊縫采取100%PT探傷+100%UT探傷。現場根據業主及監理要求，在PT和UT檢查并返修完成后，再用100%TOFD（超聲波衍射時差法）探傷檢查。（2）蝸殼進人門孔的配割以及蝸殼進人門裝焊。進人門密封及螺栓按要求安裝到位。（3）根據原圖紙設計要求，蝸殼混凝土澆筑采取鋪設彈性墊層澆筑的方式。后因為合同要求及業主意見，改為保壓澆筑混凝土，故原設計的座環灌漿孔和排氣孔取消，因此在水壓試驗前，必須將座環上的灌漿排氣孔采取可靠封堵，并做表面PT探傷檢查。（4）蝸殼內部支撐全部割除，并將雜物全部清理干凈，以免堵塞排水管。（5）蝸殼內表面按規定工藝補漆。（6）悶頭掛裝焊接，悶頭上部的壓力表等到蝸殼充滿水后再安裝。悶頭焊接的同時可以開始封水環的預裝。悶頭安裝圖如圖1所示。（7）封水環安裝。在安裝間裝焊兩層星形架支撐，內支撐可布置在封水環中部環板以及下部環板斷面，以增強封水環剛度，減少不利變形，影響密封效果。星形支撐應避開X，Y軸線，以免影響百分表的安裝。封水環安裝好后，應該檢查封水環與座環軸向、徑向間隙是否，以保證橡膠圓條受壓均勻。封水環安裝圖如圖2所示。（8）悶頭焊接完成后，開始百分表以及打壓管路的安裝。分別在蝸殼外表面上部、腰線、下部、悶頭及座環上法蘭面和封水環內表面4個軸線方向上裝設百分表，用以監測蝸殼、悶頭以及封水環的變形及座環法蘭上抬量。注意百分表表架的安裝應牢固，不易晃動，并且與座環及蝸殼脫離開。測點分布見圖3。

3.3 蝸殼水壓試驗變形監測

水壓試驗過程中做好座環與蝸殼監測工作，從充水開始連續監測，并在每個保壓階段記錄蝸殼及座環檢測部位百分表讀數及相應的壓力表讀數，計算蝸殼變形值及座環軸向變形值。水壓試驗時間壓力關系見圖4。蝸殼水壓試驗按不大于0.1MPa/min上升（下降）速度，用試壓泵進行加壓（降壓），加壓（降壓）過程中應對蝸殼各焊縫、各管路進行巡視，發現滲漏點后，應停止試壓泵，泄壓后及時處理，合格后再重新開始試驗。試驗記錄數據見表1。

4 水壓試驗數據分析

根據廠內蝸殼強度有限元計算報告，蝸殼在4.5MPa壓力下（見圖5），理論最大變形值發生在蝸殼直管段第一節，并且最大變形量為9.105mm。實際試驗結果顯示，蝸殼最大變形值在悶頭+x方向，值為5.43mm，小于理論計算的9.105mm，其余部位的變形值均小于計算結果，并與計算結果變化趨勢一致。

固定導葉在4.5MPa壓力下（見圖6），理論最大伸長值為1.02mm，實際座環法蘭上抬量最大值為0.42mm，小于理論計算結果。

5 蝸殼埋設方式的討論

目前，國內大容量或大尺寸水輪機金屬蝸殼埋設澆筑混凝土主要采用兩種方式：一種是蝸殼不做水壓試驗，不充水壓，只在蝸殼上半部加彈性墊層后澆混凝土，大多數電站采用這種方式；另一種是蝸殼充水進行水壓試驗后保持一定壓力下澆混凝土，大多用于高水頭水電機組和蓄能機組。還有一種是曾在三峽右岸及地下廠房采用的直埋方式澆筑蝸殼混凝土，但還未廣泛應用。

這兩種埋設方式各有其優缺點。加彈性墊層方式：①不進行水壓試驗，用加強探傷的方法保證座環、蝸殼母材和焊接的質量；②省去水壓試驗悶頭及設備，節省一定量費用；③省去相應的悶頭安裝、拆卸工作量，能縮短直線工期；④蝸殼和混凝土聯合受力的狀態取決于蝸殼變形和彈性墊層的特性、厚度，二者受力分攤界定不很清楚。充水保壓方式：①進行水壓試驗，對座環蝸殼的強度和剛度判斷更直觀，并起到局部消除焊接應力的作用；②需制造、安裝、焊接試驗用悶頭，機組臺數多時，需兩套或多套悶頭、費用較高；③增加一定的安裝工作量，直線工期稍長；④蝸殼在恒定水壓下澆混凝土和灌漿，蝸殼及其周邊混凝土的聯合受力情況能清楚界定，水工結構計算更有把握。

綜上所述，吉布Ⅲ電站額定水頭193m，采用保壓澆筑混凝土的方式是可行的。但在選取澆筑壓力標準時需考慮兩個因素：一是蝸殼外圍鋼筋混凝土結構分擔的荷載，水工設計往往傾向于讓結構盡量少承擔荷載。二是應保證水輪機在最低水頭下工作時蝸殼和周邊混凝土緊密接觸，座環蝸殼和機組軸線不會因水推力或振動力而發生位移。

為了確保水輪機組的牢固性和運行穩定性，蝸殼充水澆混凝土的保壓值不應大于蝸殼的最小水頭，因此吉布Ⅲ電站蝸殼混凝土澆筑時，保壓值取最小水頭的90%，即1.58MPa。