浅析立轴混流式水轮发电机蜗壳耐压试验

刘旭林

（广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340）

浅析立轴混流式水轮发电机蜗壳耐压试验

刘旭林

（广东省源天工程有限公司，广东 广州 511340）

巴基斯坦帕春水电站为引水式电站，引水系统为一管三机，最高水头为115.47 m，蜗壳额定工作压力为1.6 MPa。因是韩国K-WATER首次涉足国外第一个水电BOT项目，首次采用来自中国的机组设备，对机组的设备性能不是很放心。业主方要求现场做此项试验，验证蜗壳承载力是否达到设计要求，确保电站机组日后运行安全。

帕春水电站；立轴混流机组；水机蜗壳；水压试验

1 前言

1.1 电站概述

帕春水电站位于巴基斯坦克什米尔特区Muzaffarabad市，下游约2 km杰赫勒姆河的左岸。电站厂房内安装3台立轴混流式水轮发电机组，机组最大水头为115.47 m，额定水头为107.3 m，最小水头为106.24 m，额定流量为51.22 m3/s，额定转速为300r/min，水力推力为1210kN，额定输出51026kW。1.2蜗壳主要结构参数

帕春电站压力钢管进水口工作压力1.6 MPa，试验压力2.4 MPa。水轮机蜗壳设计包角328°，全蜗壳管共23节，采用Q345R钢板卷制，板厚20～30 mm不等，座环和壳体总重50 t。整个蜗壳共分六大段，有两大段每段由九节组焊成型，其余为单节。蜗壳均为圆形断面，以蜗壳管节腰线中心点作为管节中心和水平高程安装调整的控制点。

2 蜗壳耐压试验及检测

2.1 蜗壳水压试验的目的和方法

（1）帕春水电站水轮机蜗壳采用保压浇筑施工工艺。金属蜗壳耐压试验是对座环、蜗壳的承载力的验证，以确保座环、壳体在各种工况下运行安全；水压试验还可以消除和改善部分焊接应力，使壳体应力分布更趋于均匀。也是对业主方所提出的要求兑现。

（2）水压试验从零压开始，以每分钟0.2 MPa的速度给蜗壳加压；升至1.0 MPa，保持30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况；升至2.0 MPa，保持30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况；当压力升至2.4 MPa,保持30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况。降压时蜗壳内水压以相同的速度在以上几个工况点逐渐下降，并逐点记录每个工况点的变形。试验完成后将水压升至1.0 MPa保压浇筑混凝土。蜗壳水压试验曲线见图1。

图1 蜗壳水压试验图

2.2 蜗壳水压试验百分表监测布置

水压试验变形监测按厂家提供的方案进行，根据监测方案制作安装百分表表架，水压试验百分表监测位置分布:直管段垂直、水平；座环法兰上环板轴向、径向；蜗壳体轴线方向的垂直、水平。监测位置见图2。

2.3 蜗壳水压试验准备工作

帕春电站2号机组蜗壳水压试验前，先检查各阀门安装是否正确及是否打开，检查水压试验设备安装、运行是否可靠。根据测点位架设百分表，表针并调至5.00 mm，作初始监测记录。对蜗壳进行注水，根据水位情况记录百分表测量值，巡视蜗壳体各密封渗漏情况，注满水后关闭上、下阀门，记录百分表测量值，将注满水的蜗壳体摆放12 h，摆放足时后检查壳体有无渗漏现象，并记录百分表测量值。

图2 蜗壳百分表监测位置

2.4 水压试验

（1）升压试验

2015年9月13日室外温度35℃，水压试验水温15℃。水压试验从零压开始升压，以每分钟0.2MPa的速度用打压泵给蜗壳升压，压力升至1.0 MPa时停止加压，关闭泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，用红外测温仪测量壳体温度，意外发现第一节直管段壳体温度有变化，并记录温度及百分表测量变形情况；足时后开启泵前阀门，启动加压泵以每分钟0.2 MPa的速度升压至2.0 MPa，停泵关闭泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，测量并记录温度、变形情况；足时后开启泵前阀门，启动加压泵以每分钟0.2 MPa的速度升压至2.4 MPa,停泵关闭泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，测量并记录温度、变形情况。蜗壳管节图见图3。

图3 蜗壳管节布置

（2）降压试验

升压试验完成后开启泵前阀门，打开加压泵安全卸载阀缓慢降压至2.0 MPa,先关闭卸载阀然后关泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况；足时后开启泵前阀门，打开加压泵安全卸载阀缓慢降压至1.0 MPa,先关闭卸载阀然后关泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况；足时后开启泵前阀门，打开加压泵安全卸载阀缓慢降压至0 MPa，先关闭卸载阀然后关泵前阀门保压30 min，检查有无异常现象，测量并记录变形情况。

（3）保压检查

打开泵前阀门启泵升压至1.0 MPa，关闭泵前阀门保压。再次检查座环的中心、高程、平面度等符合要求，重新加固座环，使座环在浇筑混凝土时尽可能减小变形。保压并等待浇筑混凝土。

3 水压试验原因分析

（1）从水压试验温升数据看（见表1），蜗壳体第1节温升变化较大，第3节温度稍有变化，末端第24节温度变化甚微。可以看出靠打压泵越近温度变化越明显，因打压泵在加压做功时，压力越高摩擦力越大，因摩擦所产生的热量传递给加压的水，致使加压注入的水，热量向四处扩散传热，导致较近的几节管温度上升，第13节管至末端23节传热缓慢温升变化较小，由于水压试验工作时间较长，室外日照度强气温不断升高，引起壳体正表面温度有所上升，因蜗壳水容量大传热效果慢，上升温度不大可忽略不计。

表1 蜗壳水压试验时温度变化 单位：℃

（2）管道热膨胀量计算公式ΔL=αLΔt，Q345R的热膨胀系数α=1.06×10-5，按蜗壳体测量区域每平方米温升1℃（长度L=1m），壳体径向膨胀变形量ΔL=αLΔt=1.06×10-5×1×1=0.0106 mm。通过对表1的数据进行分析，第1节管节测得温度最高温差为：Δt=8℃，热膨胀变形量为0.085mm。

（3）根据此热膨胀变形量计算出，因建压产生的上升温度，而导致变形所产生的内应力σ=E×(△L/L) =17 MPa；Q345R钢板的屈服强度则是345 MPa，因此内应力远远小于其屈服强度，建压所产生的温度变形内应力对打压试验影响不大。

图4 水压试验百分表量测曲线图

（4）从水压试验百分表测量记录的数据所显示的压力和变形量关系的曲线图分析（见图4），从测点9号表至17号表的测量数据均比较理想，只有座环法兰里衬环板测点-Y位置3号表、-X位置7号表，及直管段-X位置18号表记录数据均为负值；原因分析认为蜗壳体是由若干段小节组合焊接而成，焊接内应力不能够完全释放，在加压的过程中可能会在某区域某位置形成逆向变形状态出现；连贯整个法兰量测数据，及自身量测压力变化数据过程看，从升压到降压回零曲线显示没有突变峰值或线性不对称现象，故认为是残余应力所致且变形量较小，在厂家设计要求允许范围内。

4 结语

蜗壳水压试验对设备本体的设计、制造、安装及整体性能成功地进行了验证，为确保蜗壳引水系统安全运行提供了有力的依据；本次水压试验各项指标符合厂家设计要求，达到了安全运行标准和合同技术要求。

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TK730.3+12

B

1672-5387（2017）08-0011-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.004

2017-05-23

刘旭林（1971—），男，工程师，从事机电安装技术工作。