張新萍　郭琳（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

石頭河水庫壩后電站水輪機(jī)蝸殼改造淺析

張新萍郭琳
（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

為了確定石頭河水庫壩后電站改造后三臺(tái)機(jī)組蝸殼承壓值，本文通過對(duì)兩種不同的方法計(jì)算并結(jié)合原設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較分析，為水力機(jī)械過渡過程計(jì)算提供依據(jù)，并對(duì)蝸殼進(jìn)行防腐改造處理，以期為類似工程改造提供參考。

壩后電站；蝸殼承壓值；改造；檢測

1　工程概況

石頭河水庫壩后電站工程位于陜西省眉縣西南15km的石頭河干流上，工程任務(wù)以供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電。水庫于1969年開始籌建，1974年動(dòng)工，1980年下閘蓄水，1989年工程基本建成，1994年正式通過竣工驗(yàn)收。

壩后電站引水系統(tǒng)“一洞四機(jī)”布置。電站裝機(jī)四臺(tái)，總裝機(jī)容量18500kW，其中單機(jī)容量1#6500kW、2#3#5000kW、4#2000kW；1#～3#機(jī)組同期建設(shè)，為立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，于1991年建成發(fā)電。為了配合西安市城市供水，擴(kuò)建4#機(jī)組，為臥軸混流式，其壓力鋼管引自3#機(jī)組壓力鋼管蝶閥前，4#機(jī)組于1998年建成發(fā)電。

正在施工的引紅濟(jì)石工程建成后將向石頭河水庫調(diào)水，石頭河水庫將新增向西安市、咸陽市、楊凌區(qū)、寶雞市等城市供水任務(wù)。調(diào)水后石頭河水庫經(jīng)常處于高水位運(yùn)行。1#機(jī)組發(fā)電水頭范圍由原來的35m～52m～70m調(diào)整為50m～70m～88m。這樣1#機(jī)組的發(fā)電水頭有了較大地提高。改造后電站單機(jī)容量及總裝機(jī)容量不變，1#機(jī)組調(diào)整運(yùn)行水頭范圍，更換轉(zhuǎn)輪及發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)速增加；2#3#機(jī)組更換轉(zhuǎn)輪，4#機(jī)組不改造。

改造后最大的變化就是在最大水頭工況發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)發(fā)生了變化。在最大水頭工況，改造后1#、2#、3#三臺(tái)機(jī)組有同時(shí)發(fā)電的可能，而改造前三臺(tái)機(jī)組不會(huì)同時(shí)發(fā)電，僅2#與3#機(jī)組兩臺(tái)可同時(shí)發(fā)電。

蝸殼承壓值是水力機(jī)械過渡過程甩負(fù)荷壓力上升計(jì)算的重要依據(jù)，關(guān)系到電站的運(yùn)行安全。因此改造后蝸殼承壓值應(yīng)該滿足水力機(jī)械過渡過程計(jì)算要求，即滿足高水頭工況三臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)壓力上升的要求。

電站改造前后四臺(tái)機(jī)組主要參數(shù)見表1。

2　確定蝸殼承壓值

對(duì)于改造項(xiàng)目的蝸殼承壓值計(jì)算有兩種方法：一是通過蝸殼檢測計(jì)算，二是利用手冊(cè)公式計(jì)算。

2.1通過蝸殼檢測值計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，陜西省石頭河水庫管理局委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測中心對(duì)1#、2#、3#機(jī)組的蝸殼和鋼管進(jìn)行了檢測，并完成《陜西省石頭河水庫水電站壓力鋼管及蝸殼檢測報(bào)告》［2］。報(bào)告顯示：

1#機(jī)組蝸殼和進(jìn)水閥下游鋼管腐蝕嚴(yán)重，銹包打磨后可見φ3mm～φ8mm的蝕坑，最大腐蝕厚度2.5mm，蝕余厚度13.5mm，以目前實(shí)際鋼板厚度反算后，最大承壓為1.3MPa。

2#機(jī)組蝸殼和進(jìn)水閥下游鋼管有分散的單個(gè)和多個(gè)銹包，銹包打磨后可見φ2mm～φ6mm的蝕坑，最大腐蝕厚度0.7mm，蝕余厚度17.3mm，以目前實(shí)際鋼板厚度反算后，最大承壓為3.6MPa。

3#機(jī)組蝸殼和進(jìn)水閥下游鋼管有分散的單個(gè)和多個(gè)銹包，漏水嚴(yán)重?zé)o法檢測。1～12節(jié)蝸殼銹蝕厚度1.2mm。

2.2利用手冊(cè)公式計(jì)算

根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［1］，蝸殼延伸段承壓能力的計(jì)算公式為：p=δ［σ］/ρ；蝸殼各斷面承壓能力的計(jì)算公式為：

式中p——蝸殼承受的最大水壓（包括升壓）（kg/cm2）；

δ——蝸殼各斷面壁厚（cm）；

［σ］——材料許用應(yīng)力，A3鋼取1300kg/cm2，16Mn鋼取1600kg/cm2；

a——蝸殼各斷面的中心距（cm）；

R0——蝸殼搭接點(diǎn)半徑（cm）；

ρ——蝸殼各斷面半徑（cm）。

表1　改造前后壩后電站1#～4#機(jī)組主要參數(shù)表

根據(jù)以上公式分別計(jì)算1#蝸殼延伸段及1～24蝸殼斷面承壓值，計(jì)算結(jié)果：1斷面承壓值最小。由于缺少2#、3#機(jī)組蝸殼資料，類比1#蝸殼，2#、3#蝸殼1斷面承壓值亦最小。1#～3#蝸殼承壓值，按照是否慮銹蝕兩種工況分別計(jì)算［4］，結(jié)果見表2。

表2　蝸殼承壓值比較表

根據(jù)《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》［1］，在進(jìn)行蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)蝸殼承受的最大水壓（包括水錘升壓）計(jì)算蝸殼壁厚，并考慮蝸殼殼壁銹蝕裕量0.15cm～0.2cm。對(duì)于改造電站原蝸殼承壓值復(fù)核，則是根據(jù)蝸殼殼壁厚度，反推其承壓值。從表中可以看出是否考慮0.2cm銹蝕裕量，計(jì)算的蝸殼承壓值差別還是比較大的。壓力值相差13%～18%。

2.3蝸殼承壓值的確定

檢測單位計(jì)算的蝸殼承壓值，比利用《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》公式計(jì)算的值要大（考慮銹蝕裕量）。根據(jù)1989年6月“石頭河水庫樞紐工程壩后電站技施說明書水力機(jī)械部分”［3］報(bào)告：“1#、2#、3#機(jī)組在70m水頭，蝸殼允許承受的最大壓力須控制在105m水柱以內(nèi)，2#、3#機(jī)組在88.83m水頭，蝸殼允許承受的最大壓力須控制在110m水柱以內(nèi)”；考慮到壩后電站已運(yùn)行二十余年，因此確定各蝸殼允許壓力值分別為：1#：1.01MPa，2#、3#：1.05MPa。即確定水力機(jī)械過渡過程計(jì)算蝸殼允許壓力絕對(duì)值：1#機(jī)組＜101m，2#、3#機(jī)組＜105m。

將考慮0.2cm銹蝕裕量時(shí)的蝸殼允許壓力絕對(duì)值，作為電站蝸殼允許壓力值，要求水力機(jī)械過度過程計(jì)算水錘壓力上升不超過此值。

3　蝸殼改造措施

陜西省石頭河水庫管理局委托施工單位對(duì)各蝸殼進(jìn)行改造，根據(jù)現(xiàn)場條件，確定具體改造措施為：采用鋼絲輪角磨機(jī)打磨、拋光，利用環(huán)氧樹脂加金剛砂進(jìn)行修補(bǔ)，環(huán)氧樹脂打底，滾涂“無毒環(huán)氧飲用水涂料”做防腐處理。

4　對(duì)蝸殼的不定期檢測分析

根據(jù)《壓力鋼管安全檢測技術(shù)規(guī)程》（DL/709-1999），“壓力鋼管的首次檢測是在運(yùn)行5年～10年后進(jìn)行；中期檢測是在首次檢測后每10年～15年進(jìn)行一次；折舊期滿檢測是在運(yùn)行滿40年后，確定鋼管是否可以繼續(xù)服役及必須采取的加固措施。壓力鋼管檢測內(nèi)容包括：巡視檢查、外觀檢查、材質(zhì)檢查、無損探傷、應(yīng)力檢查、振動(dòng)檢查、水質(zhì)及底質(zhì)檢查”。而蝸殼位于壓力鋼管的末端，其受力強(qiáng)度比壓力鋼管要大，那么就有必要對(duì)蝸殼也進(jìn)行不定期的檢測。特別是對(duì)于改造電站，本身已經(jīng)運(yùn)行很多年，蝸殼經(jīng)過銹蝕、磨蝕、汽蝕、振動(dòng)、荷載交變、變形等等的破壞，其強(qiáng)度會(huì)受到一定影響。因此，對(duì)蝸殼的不定期檢測是很有必要的。

俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站總裝機(jī)十臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量6400MW。2009年8月17日，九臺(tái)機(jī)組正在運(yùn)行（6#機(jī)組定期維護(hù)，處于停機(jī)狀態(tài)），由于2#水輪機(jī)頂蓋螺母大部分有不同程度的疲勞性損傷以及部分螺栓沒有螺母，發(fā)生了水輪機(jī)頂蓋螺栓斷裂，水柱從2#水輪機(jī)空腔噴入主廠房，淹沒主廠房發(fā)電機(jī)層及下面各層，造成75人死亡、13人失蹤、部分機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞的惡性事故。這就是震驚世界的俄羅斯薩揚(yáng)水電站817事故。根據(jù)俄羅斯官方事故原因報(bào)告書，817事故發(fā)生原因有技術(shù)原因、管理原因、設(shè)計(jì)原因。其中管理原因存在對(duì)機(jī)組服役年限沒有作出規(guī)定，電站在定期檢查過程中，都是以目測方法進(jìn)行控制，而未采用水力發(fā)電機(jī)組設(shè)備在安全保證期內(nèi)的無損檢測方法。薩揚(yáng)817事故給我們啟示，水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，不僅關(guān)系到業(yè)主方的利益，更關(guān)系到人身安全和社會(huì)公共環(huán)境的安全。安全警鐘長鳴，時(shí)時(shí)處處提高安全意識(shí)。

薩揚(yáng)電站由于頂蓋螺栓螺母的撕裂造成了站毀人亡的災(zāi)難性事故，所以機(jī)電設(shè)備無小事。水電站的機(jī)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保證水電站穩(wěn)定運(yùn)行的核心所在，薩揚(yáng)電站事故為我們敲響了安全警鐘，我們應(yīng)該引以為戒。試想，如果薩揚(yáng)電站能夠及時(shí)采取無損檢測方法檢測到頂蓋螺栓螺母的疲勞損傷，并及時(shí)采取維護(hù)措施，或許事故可以避免。

5　結(jié)語

通過對(duì)石頭河壩后電站蝸殼的改造，筆者認(rèn)為就石頭河壩后電站蝸殼殼壁而言，考慮銹蝕裕量后，確定水力機(jī)械過渡過程各水輪機(jī)蝸殼的承壓值是偏安全的。蝸殼是水輪機(jī)的重要設(shè)備之一，改造工程對(duì)原蝸殼的不定期檢測是必要的。建議壩后電站運(yùn)行時(shí)，密切觀測蝸殼運(yùn)行情況，并進(jìn)行不定期無損檢測，及時(shí)排除安全隱患，保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。陜西水利

［1］哈爾濱大電機(jī)研究所編著.《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.11.

［2］水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量測試中心編制.《陜西省石頭河水庫水電站壓力鋼管及蝸殼檢測報(bào)告》，2014.5.

［3］陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院編制.《石頭河水庫樞紐工程壩后電站技施說明書水力機(jī)械部分》，1989.6.

［4］南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司編制.《石頭河水庫壩后電站蝸殼承壓能力計(jì)算》，2014.6.

（責(zé)任編輯：唐紅云）

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