冯伟

摘 要：介绍了吉布Ⅲ电站蜗壳水压试验的目的、方法、监测手段、表计布置，对蜗壳、座环的材质性能及焊接方法、检查手段也进行了概略的介绍。同时，简要地对试验结果进行了分析。

关键词：蜗壳；座环；焊接；水压试验；变形；监测

中图分类号：TV732.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0199-03

1 概述

埃塞俄比亚吉布Ⅲ水电站总装机10台混流式水轮机，单机容量187MW，该电站为目前非洲已建成的最大容量水电站，也是目前我公司最大单机容量的出口项目。水轮机额定水头193.5m，最大水头214.0m，最小水头176.0m，额定出力187MW，最大出力205.7MW。

2 参加水压试验部件

2.1 座环

座环由190mm厚的上、下环板和23个固定导叶组焊构成，外径5.8m，高度2.5m，总重约55t。由于运输限制，在工厂分两瓣制造，运至厂房机坑后将其用螺栓把合，然后焊成整体。

2.2 蜗壳

金属蜗壳过流断面为圆形，包角345°，由在工廠加工成型的25节瓦片组成，在工地挂装在座环上，然后焊成整体。

（1）蜗壳设计压力为水轮机运行出现的最大压力（含水锤压力升高），其值为3MPa，组焊完后进行1.5倍设计压力的水压（4.5MPa）试验。（2）从机组和建筑物整体安全考虑，采用了蜗壳和机墩混凝土联合受力设计，规定蜗壳要保持相应于水轮机最小水头的水压（1.76MPa）的90%压力（1.58MPa）下浇筑混凝土。即当机组出现高于1.58MPa的水压力时，蜗壳外围的钢筋混凝土才分担部份荷载，若机组运行水压力低于1.58MPa时，蜗壳单独承受水压力，且蜗壳与混凝土之间会出现一定间隙。

2.3 封水环

封水环由上、中、下三圈环板和立圈拼焊而成。在上环板上有20个￠72通孔，下环板上有20个M36螺孔用于把合固定封水环。中、下环板各加工一道密封槽，密封槽深度为6mm，宽度10.2mm。由于这两道密封为封水环关键的封水手段，密封效果直接影响水压试验成功与否，因此在封水环安装到位之后以及水压试验过程中，须用塞尺检查封水环与座环密封面间隙。充水前，封水环下密封面的间隙应小于0.50mm，升压过程中，间隙应小于1mm。

2.4 闷头

闷头形式为以内径为基准的标准椭圆形，内径4.2m，板厚50mm，总重约13.2t。闷头上共预留有三个孔，分别为排气兼测压孔、增压进水孔兼排水孔以及主排水孔。并且闷头直线段留有一定的配割余量，以便前面的机组试验完后，割下闷头重新开坡口用于后续机组。

3 蜗壳的水压试验

3.1 试验标准

水压试验是检验座环蜗壳安装焊接质量的综合手段，考验材料及焊缝的强度及整体刚度，通过水压试验还可消除部分焊接应力，使应力分布趋于均匀。试验压力为1.5倍设计压力，即4.5MPa。为使试验安全、测试准确并利于消应，试压过程采用逐级增压的方法，每次间隔0.5MPa，保持压力15分钟并观测和记录，在4.5MPa压力下保持0.5h，然后逐渐降压至零。

3.2 水压试验前的准备工作

（1）蜗壳焊缝探伤检查合格后，按要求打磨内外表面并检查合格。焊缝检查方式根据图纸设计要求，现场焊缝采取100%PT探伤+100%UT探伤。现场根据业主及监理要求，在PT和UT检查并返修完成后，再用100%TOFD（超声波衍射时差法）探伤检查。（2）蜗壳进人门孔的配割以及蜗壳进人门装焊。进人门密封及螺栓按要求安装到位。（3）根据原图纸设计要求，蜗壳混凝土浇筑采取铺设弹性垫层浇筑的方式。后因为合同要求及业主意见，改为保压浇筑混凝土，故原设计的座环灌浆孔和排气孔取消，因此在水压试验前，必须将座环上的灌浆排气孔采取可靠封堵，并做表面PT探伤检查。（4）蜗壳内部支撑全部割除，并将杂物全部清理干净，以免堵塞排水管。（5）蜗壳内表面按规定工艺补漆。（6）闷头挂装焊接，闷头上部的压力表等到蜗壳充满水后再安装。闷头焊接的同时可以开始封水环的预装。闷头安装图如图1所示。（7）封水环安装。在安装间装焊两层星形架支撑，内支撑可布置在封水环中部环板以及下部环板断面，以增强封水环刚度，减少不利变形，影响密封效果。星形支撑应避开X，Y轴线，以免影响百分表的安装。封水环安装好后，应该检查封水环与座环轴向、径向间隙是否，以保证橡胶圆条受压均匀。封水环安装图如图2所示。（8）闷头焊接完成后，开始百分表以及打压管路的安装。分别在蜗壳外表面上部、腰线、下部、闷头及座环上法兰面和封水环内表面4个轴线方向上装设百分表，用以监测蜗壳、闷头以及封水环的变形及座环法兰上抬量。注意百分表表架的安装应牢固，不易晃动，并且与座环及蜗壳脱离开。测点分布见图3。

3.3 蜗壳水压试验变形监测

水压试验过程中做好座环与蜗壳监测工作，从充水开始连续监测，并在每个保压阶段记录蜗壳及座环检测部位百分表读数及相应的压力表读数，计算蜗壳变形值及座环轴向变形值。水压试验时间压力关系见图4。蜗壳水压试验按不大于0.1MPa/min上升（下降）速度，用试压泵进行加压（降压），加压（降压）过程中应对蜗壳各焊缝、各管路进行巡视，发现渗漏点后，应停止试压泵，泄压后及时处理，合格后再重新开始试验。试验记录数据见表1。

4 水压试验数据分析

根据厂内蜗壳强度有限元计算报告，蜗壳在4.5MPa压力下（见图5），理论最大变形值发生在蜗壳直管段第一节，并且最大变形量为9.105mm。实际试验结果显示，蜗壳最大变形值在闷头+x方向，值为5.43mm，小于理论计算的9.105mm，其余部位的变形值均小于计算结果，并与计算结果变化趋势一致。

固定导叶在4.5MPa压力下（见图6），理论最大伸长值为1.02mm，实际座环法兰上抬量最大值为0.42mm，小于理论计算结果。

5 蜗壳埋设方式的讨论

目前，国内大容量或大尺寸水轮机金属蜗壳埋设浇筑混凝土主要采用两种方式：一种是蜗壳不做水压试验，不充水压，只在蜗壳上半部加弹性垫层后浇混凝土，大多数电站采用这种方式；另一种是蜗壳充水进行水压试验后保持一定压力下浇混凝土，大多用于高水头水电机组和蓄能机组。还有一种是曾在三峡右岸及地下厂房采用的直埋方式浇筑蜗壳混凝土，但还未广泛应用。

这两种埋设方式各有其优缺点。加弹性垫层方式：①不进行水压试验，用加强探伤的方法保证座环、蜗壳母材和焊接的质量；②省去水压试验闷头及设备，节省一定量费用；③省去相应的闷头安装、拆卸工作量，能缩短直线工期；④蜗壳和混凝土联合受力的状态取决于蜗壳变形和弹性垫层的特性、厚度，二者受力分摊界定不很清楚。充水保压方式：①进行水压试验，对座环蜗壳的强度和刚度判断更直观，并起到局部消除焊接应力的作用；②需制造、安装、焊接试验用闷头，机组台数多时，需两套或多套闷头、费用较高；③增加一定的安装工作量，直线工期稍长；④蜗壳在恒定水压下浇混凝土和灌浆，蜗壳及其周边混凝土的联合受力情况能清楚界定，水工结构计算更有把握。

综上所述，吉布Ⅲ电站额定水头193m，采用保压浇筑混凝土的方式是可行的。但在选取浇筑压力标准时需考虑两个因素：一是蜗壳外围钢筋混凝土结构分担的荷载，水工设计往往倾向于让结构尽量少承担荷载。二是应保证水轮机在最低水头下工作时蜗壳和周边混凝土紧密接触，座环蜗壳和机组轴线不会因水推力或振动力而发生位移。

为了确保水轮机组的牢固性和运行稳定性，蜗壳充水浇混凝土的保压值不应大于蜗壳的最小水头，因此吉布Ⅲ电站蜗壳混凝土浇筑时，保压值取最小水头的90%，即1.58MPa。