阳江抽水蓄能电站蜗壳首次水压试验失败原因分析及处理

王石林

（中国水利水电第十四工程局有限公司机电安装事业部，云南 昆明 650032）

1 概述

阳江抽水蓄能电站（简称阳蓄电站）近期地下厂房安装3台套单机容量400 MW立轴混流可逆式机组，水轮机工况额定水头653 m。水轮机座环材质为S500Q-Z35，蜗壳材质为610CF。蜗壳进口延伸管内径为2 270 mm，板厚为100 mm，延伸管进口带有连接法兰。座环蜗壳设计压力为11.01 MPa，试验压力为16.515 MPa，蜗壳保压浇筑压力为6.0±0.2 MPa。

2 蜗壳水压试验过程

阳蓄电站首台机组蜗壳按设计图纸要求将封水环、试验闷头、试压管路、压力表和试压泵等设备安装完成，见图1所示。先通过蜗壳进口段上方DN200蜗壳平压排气接口向蜗壳内注水，边注水边检测封水环、闷头、管路和接头等部位无渗水，蜗壳水注满后安装DN200蜗壳平压排气管、密封垫、紧固件、压力表、蜗壳排气管等部件。

图1 蜗壳水压试验示意图

蜗壳水压试验是根据图2中的压力曲线进行升压、泄压和保压试验[1]，第1阶段顺利完成11.01 MPa设计压力试验，第2阶段在完成11.01 MPa、13.17 MPa和14.75 MPa升压和保压试验后，再次升压至15.50 MPa时DN200蜗壳平压排气接口法兰垫突然爆裂，导致蜗壳急速泄压（1 min泄压至0 MPa，见图2所示）引起蜗壳激烈振动，水压试验终止。蜗壳无压后，相关参建方查看泄水部位发现DN200蜗壳平压排气接口法兰密封垫有部分露出法兰，拆除管路后查看密封垫已被撕裂。

图2 试验压力曲线图

试验终止后相关参建方对座环和蜗壳开展全面检查，包括座环中心、方位、水平和高程；蜗壳进口段中心和高层；座环与蜗壳连接部位以及座环蜗壳支墩及基础螺栓等。发现蜗壳进口段1号和2号混凝土支墩出现开裂，见图3所示；座环上法兰面轴向平面度最大0.38 mm变为0.8 mm，座环拉紧螺杆松动2颗，其余检查项目未发现问题。

图3 蜗壳支墩布置及开裂图

3 蜗壳水压试验失败原因分析

蜗壳试验失败后，由监理组织相关参建方和专家与会讨论，主要从座环和蜗壳安装、设计、密封材料和试验流程等多方面查找原因，并作出分析如下。

3.1 座环蜗壳施工分析

（1）座环和蜗壳安装各项数据满足设计及规范要求；座环钢支墩与基础环和楔子板，以及楔子板与座环均按要求进行焊接固定；座环拉紧螺杆均按设计力矩把紧，座环拉紧螺杆套管未安装；蜗壳防上浮固定锚索按设计要求处于松弛状态；蜗壳混凝土支墩上的预埋基础板浇筑密实；蜗壳钢支墩下方的楔子板按设计要求与蜗壳混凝土支墩上的基础板焊接固定，楔子板与蜗壳钢支墩点焊固定，楔子板之间处于自由状态，见图4所示；座环蜗壳焊缝均探伤合格，本次试验未出现渗水或破裂。试验终止后，安装单位用100 t液压千斤顶对推力环底部做了临时支撑防护。

图4 座环蜗壳固定示意图

（2）座环蜗壳基础混凝土采用C30二级配方浇筑，蜗壳水压试验前混凝土基础保养时间达34 d，根据28 d样块检查强度达30.3 MPa，混凝土强度满足规范要求；蜗壳支墩基础板安装数据满足设计及规范要求，与混凝土接触密实无空腔；蜗壳混凝土支墩凿毛后未见蜂窝麻面，混凝土浇筑振捣密实。

（3）通过以上排查结果，座环和蜗壳安装、混凝土基础浇筑质量均符合设计及规范要求。

3.2 设计方面分析

（1）制造厂提供了蜗壳单个支墩承受最大静载荷为175 kN。设计方复核混凝土支墩受力筋配筋为HRB400，φ22@150，箍筋为HPB300，φ8@100满足厂家要求；但实际配筋为HRB400，φ25@150，箍筋为HPB300 φ8@100。故蜗壳支墩配筋强度满足要求；另复核蜗壳支墩基础面的局部承压计算结果也满足设计要求。

（2）蜗壳进口段设计4个混凝土支墩，安装单位在蜗壳进口靠墙位置用I63工字钢安装了临时钢支架用于支撑进口段，见图3所示。1号和2号混凝土支墩至蜗壳进口法兰长度为3 452 mm，打压闷头长度为1 865 mm，蜗壳试验时进口段总长度达5 317 mm，该部分钢管仅有向上支撑约束，泄压口又位于该段上，蜗壳快速泄压产生激烈振动，进口段1号、2号支墩和临时钢支架承受了较大振动力导致蜗壳1号、2号混凝土支墩开裂[2]。

3.3 密封件材质分析

蜗壳进口段上方DN200蜗壳平压排气接口法兰密封垫撕裂是因密封垫型号供货错误导致。设计密封垫型号是缠绕式垫片DN200-PN160-D2232（带内环和定位环型），但实际到货型号是DN200-PN160-B0232（带内环型）。蜗壳平压排气接口法兰为平面式结构，故只能使用DN200-PN160-D2232密封垫[3]，要求供货商重新发运与设计型号相匹配的密封垫。密封垫撕裂导致蜗壳急速泄压产生激烈振动，是蜗壳进口段1号、2号混凝土支墩开裂的直接因素。

3.4 试验流程分析

（1）试验前安装单位在座环内部、蜗壳外部和延伸管X、Y、Z方向上布置百分表用于监测水压试验过程中座环和蜗壳变形情况[4]。厂家也在相应方向上布置应力片，全过程监测蜗壳水压试验应力变化情况。安装单位和厂家的监测布置满足水压试验要求。

（2）根据厂家现场监测记录的试验数据分析图（见图5所示），安装单位是严格按图5所示试验压力曲线图进行水压试验，试验操作过程符合要求。

图5 蜗壳试验过程应力监测记录分析图

（3）试验前，安装单位对座环蜗壳及相关区域实行了封闭管理，安全措施到位，蜗壳压力水喷出未发生安全事故。

4 处理方法及结果

综合以上原因查找和分析结果，座环和蜗壳安装以及蜗壳混凝土支墩浇筑质量均满足设计及规范要求，主要因素是DN200蜗壳平压排气接口法兰面密封撕裂造成蜗壳内水压急速泄压产生振动致使混凝土支墩开裂；次要因素是蜗壳进口段支墩布置不合理，较长管段处于悬空状态。后续水压试验解决方法及结果如下：

（1）对已松动的2根座环拉紧螺杆重新预紧，并对所有拉紧螺杆预紧力进行检查，确保座环拉紧螺杆预紧力均满足设计要求。拉紧螺杆紧固后复测座环轴向水平度最大为0.5 mm（受蜗壳注满水影响），径向最大水平度为0.33 mm，其它安装数据未变。

（2）在推力环下方的混凝土面上安装2块30 mm×250 mm×250 mm钢板，参考1号和2号混凝土支墩位置安装钢板，钢板通过在混凝土上打插筋焊接固定，钢板与混凝土面接触密实。新制作2个钢支墩分别落放在钢板上，钢支墩与推力环环筋焊接固定，与钢板处于自由状态，钢支墩安装完后拆除100 t液压千斤顶。

（3）推力环钢支墩安装后，鉴于2个混凝土支墩（1号和2号）边角区域开裂（见图3），中间区域未发现裂纹，对裂纹做化学灌浆处理[5]。

（4）DN200蜗壳平压排气接口法兰面使用DN200-PN160-D2232密封垫安装，蜗壳下方排水管与蜗壳之间的法兰密封垫也进行更换处理，并将法兰组合螺栓全部用新螺栓更换。

（5）所有蜗壳防上浮固定锚索处于松弛状态，检查蜗壳无外加约束力。

（6）上述工作完成后重新对座环蜗壳进行水压试验，试验过程严格按试验压力曲线完成各个阶段的升压、泄压和保压。蜗壳水压试验测得最大变形量为2.27 mm＜设计变形量2.34 mm，蜗壳延伸管高程下沉0.17 mm，其它数据试验前后基本无变化，试验结果见表1所示，蜗壳第2次水压试验一次性成功。

表1 蜗壳水压试验数据记录表

（7）蜗壳水压试验完成后，为确保施工安全，保持蜗壳无压状态下完成座环拉紧螺杆套管安装和焊接；蜗壳钢支墩与楔子板，以及楔子板之间焊接固定；推力环钢支墩与钢板焊接固定；蜗壳外包钢筋的绑扎。上述工作完成后将蜗壳水压升至6.0 MPa完成蜗壳防上浮固定锚索把紧，最后按要求进行座环蜗壳混凝土浇筑。

5 结束语

阳蓄电站2号和3号机组座环蜗壳水压试验按上述方法完成支撑和固定，两台机组座环蜗壳水压试验均一次性成功，阳蓄电站蜗壳水压试验处理方法提供同行参考借鉴。