关于防汛自备电站水轮机蜗壳偏移事故的初步分析及加固处理

发布时间：2007年01月17日
作者：电机工程协会
来源：电机工程协会
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摘要本文摘要介绍潘家口防汛自备电站水轮机蜗壳，在安装之后空载试运行中，发生倾斜，造成转轮严重磨损的重大事故.后经有关专家及工程技术人员多次分析研究，找出了事故的原因，并提出了恰当的加固方案，使问题很快得到妥善解决，机组恢复正常运行.

关键词：水轮机蜗壳发生倾斜加固处理

一、概况

潘家口防汛自备电站，为了解决防汛自备电源问题，自筹资金两千多万元，兴建两台400kw 型号为HLZ％W的水轮发电机组位于潘家口水库主坝29 —31洪底孔1号孔的下游侧，机组为上进水，最高水位224 7m，下游水位1 sm，最高水头54100m ，两台机组年发电量约为 SO0kWl，建设工期为lls个月，自1995年8月16日正式开工兴建，1996年7月27日提前建成并进行空载试运行.

二、事故的发生及危害

1996年7月27日，下午3点机组空载试运行，开始听到转动有磨擦声音，半小时后闻到烧像皮气味，立即停机，拆开转轮发现转轮多处磨损，主轴密封环的上下45度方向磨损，转轮疏齿被磨损并变形.根据上述情况，两台机组蜗壳有报废的可能，将造成更大经济损失.水轮机不能正常运转，必须分析原因，进行加固处理。

三、原因分析

制造厂设计人员、监理工程师和业有关技术人员，经过近半个月的分析研究，一致认为如果处理不得当，将造成两台蜗壳报废，损失近千万元.当时共提出两种方案，一是认为蜗壳本身刚度不够，所以在充水时，造成蜗壳局部变形，必须加固蜗壳.但加固蜗壳有很大的风险性，另一种意见认为蜗壳最大断面直径为 12m，材质为 1～ 6m厚的A3钢板，最大水头70Zzn，加水击压力为10m，出厂时曾傲过 16IPa的水压试脸，认蜗壳本身的强度和刚度是够的，主要问题有两点：其一，蜗壳进口采取上进水，而且由于受坝缝的限制，必经在蝶阀和蜗壳之间设一道伸缩节.这样，蜗壳上端在充水时，近似于自由端，全部水推力靠基础平衡；其二，是蜗壳下支座非常薄弱，在蜗壳与基础之间，仅用两块厚为 35 的钢板连接，而且还是直立的，抗弯能力很差，经不起来自上端较大的倾复力矩的作用，当机组充水后，却产生了较大的弹性变形，使蜗壳整体向水流方向倾斜一个角度，造成了上述事故的发生。为了方便分析，在蜗壳周围分设14块千分表，多次做蜗壳充水试验，证实上述原因的分析是正确的.。

四、处理方案

1、理论根据

根据上述分析，造成事故的原因，一是蜗壳上进水近似于自由端，蜗壳进水口端的水平推力只能靠下部支座来平衡。二是蜗壳的下部支座、断面小而直立。抗弯能力差为了解决上述问题，必经进行详细的结构计算，最好是用空间有限元法计算，把各部位的变形和蜗壳刚度都精确地计算出来，采取恰当的处理方案。但由于工期紧，计箕时间较长，如果能采取简化计算，能说明结构缺陷，达到加固的的目的.保证机组安全运行，即使多用点加固材料，这样机组能提前投产，也是经济的。本着这个思想，为便于分析可把蜗壳简单地成一个刚体，整个蜗壳安装后，简化成一个看悬特杆件、一端是自由端，另一端是固定端，上端在蜗壳充水时有一个水平推力，在此力的推动下，蜗壳发生弹性变形，经过蜗壳多次充水试验，证实基本与实际相符。

2、处理方案

（l）加大并加高蜗壳基础

根据计算，机组在承受最高水位甩负荷时，轴向水平推力为16Jr，这个力大都由新增大的基础来承担，这时要求墓础必须坚固可靠，且有适当的安全系数.但受场地的限制，靠蝶阀一侧，只能加长90mm 加高10cm的混凝土基础，靠调速器一侧，即蜗壳的右侧只能加长 70cm，加高 50cm的混凝土基础，在考虑混凝土基础上，为使新基础靠，在老混凝土基础上，铺一块厚基础钢板，再用32螺纹钢筋将该基础板加固在老混凝土基础上，然后每侧用三块厚为30Inm的加强钢板，一端焊接在蜗壳上，另一端焊接在基础板上，并将插筋搭接焊成钢筋网格，每根钢筋分别同三块加强板焊牢，然后周围用5m厚的钢板做混凝土模板，在中间浇筑特种混凝土，（流态、早强、微膨胀、粘结力强的混凝土）在整个加固过程中，始终坚持用千分表监视蜗壳变形，以防止过大的永久变形，造成整个加固工程失败.

（2）平衡蜗壳进口水平推力

根据公式乒PL地EI ，为弥补基础加固高度不够的缺陷，尽量减小水平推力P值.在蜗壳进口钢管中心线上，厂房侧墙上，安装一根顶杠，用于平衡该水平推力，一端安装在混凝土侧墙底座上，另一端与蜗壳相连.在墙上设基础板，用插筋加固在墙上.跟蜗壳相连处，也用加强板和垫板基础加固。

五、加固施工

1、基础加固

经过近 1个月紧张的加固工作，首先在加固部位，打耐 40 的插筋孔，左边 24 孔，右边18孔，孔距和排距20～30，在基础板的四周插中带螺扣的插筋，其余插人中32 的螺纹钢筋，插人老基础混凝土0Inl深。在插人的一端，钢筋作劈头加契子，埋人时将孔内灌砂浆，并用大锤破击使之加固牢靠，等砂浆达到一定强度后，将基础板，按插筋孔的位置，割孔并放在老混凝土基础上，抹细石混凝土垫层，再将基础板套上插筋放到混凝土垫层上，再用螺丝帽将基础板压紧，并且用水平尺找平。等混凝土到强度，用千斤顶作拉伸试验，每根插筋可承受 20T拉力然乒先将三块加强钢板焊接到蜗壳上，焊接要特别注意焊接工艺防止蜗壳出现过大焊接变形，采用了先在蜗壳上施焊，另一端自由，且采取断续焊，焊缝接头处钢板上打出缺口，宜消除焊接应力，加强板另一端跟基础板焊接时，为减少蜗壳变形不直接焊到基础板上，而是用两块垫板，下端跟基础板焊接，上端与加强板焊接，将加强板夹在中间，加强板下端仍然是自由状态。经监测，整个蜗壳上下变形，其他方向未变形，在规范允许范围之内.。

2、顶杠安装

为平衡蜗壳上进口的水平推力，在蜗壳进水管中心线位置，加一根顶杠，根据顶杠受力为 16OT，设计直径为20mm的45号实心园钢，一端安装在靠墙的基础板上，另一端安装在蜗壳的垫板上，各用 5块三角形筋板将其托住，顶杠两端都是的自由的，使用时，将靠蜗壳一端用契字板打紧。.

六、加固处理效果

将水轮机两侧基础加固，仅将加强板和钢筋加固完成.并加上顶杠.未浇筑混凝土之前，就做了充水试验，经观测效果非常显著，己能初步满足运行条件，当浇筑混凝土（特种混凝土），使蜗壳基础刚度进一步加强，已消除了蜗壳倾斜变形。使机组满足正常运行。

七、结束语

潘家口防汛自备电站蜗壳发生倾斜事故，采取了最经济的加固方案，用最短的时间，

较少的资金使其恢复正常运行，一次加固成功.从而得到三点启示：

1、卧式机组，蜗壳为上进水，设计伸缩节时，必须将其在蜂闷的上游侧，用钢管来平衡水平推力；

2、必须核算蜗壳支座的抗倾复的强度和刚度；

3、在处理蜗壳的缺掐时，尽量减少在蜗壳上的焊接量，并特别注意焊接工艺，并进行监测变形，以防止因补焊造成蜗壳产生永久变形，而使蜗壳报废，造成不应有的较大经济损失。