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水泵水轮机蜗壳和外包砼设计施工的几个问题 叶冀昇 广东蓄能发电有限公司 内容提要：本文根据广蓄一期和二期工程的工程实践，探讨大型水泵水轮机蜗壳和外包砼设计和施工的几 个问题，如蜗壳钢衬的允许应力、蜗壳的埋置方式、外包砼的结构配筋、外包砼对机组振动的吸收等。 关键词：蜗壳 加压预埋 外包砼 自振频率 蓄能电站水泵水轮机蜗壳钢衬和其外包砼不仅承受电站设计水头的内水压力，而且还要 吸收水流激发的机组振动，是电站厂房结构设计中一项重要课题，本文根据广蓄电站两期工 程建设经验，探讨蜗壳钢衬设计允许应力选用、蜗壳钢衬埋置方式、蜗壳外包砼结构布筋和 对机组振动的吸收等，供参考。 1 蜗壳钢衬设计允许应力问题 水泵水轮机金属蜗壳是由供货厂家设计制造提供，业主所关注并有权干预的是蜗壳钢衬 设计允许应力选用问题，因为这涉及到运行安全和机组使用寿命，在设备采购招标和订货时， 业主就此提出要求，并在订货合同谈判中专题与供货厂家研讨。 通常，电站机组蜗壳厂家是按最大水头和明管条件设计的，考虑到蜗壳体形和受力状 况复杂，选用设计允许应力一般是低于压力管道的允许应力值，以保证有足够的安全储备； 对于抽水蓄能电站可逆式水泵水轮机蜗壳，由于其运行工况复杂，工况切换频繁，蜗壳钢衬 应力在一定幅值内 复变化循环，则需要将金属疲劳问题纳入材质和设计允许应力选用应考 虑的因素之列。例如，英国Dinorwic蓄能电站蜗壳设计，就考虑了电站运行每年有1.5万次 34m有效水头压力变幅作用产生的应力循环，在工程有效使用期34年内共有50万次应力循环 作用，经大量金属疲劳和断裂力学试验，确定选用碳锰钢BS1501/213和BS1501/223，32A， LT30的钢材[英国标准BS1501/223型号是一种添加铌处理的全镇静(全脱氧)碳锰钢，硫含量 0.15%]，抗拉极限强度Ts=490Mpa，屈服强度Ys=310～330Mpa，设计蜗壳壁厚50～80mm。 我国钢结构设计规范(GBJ17-88)规定，钢结构在有效使用期内，当荷载循环次数达 5 n 10 时就应进行金属疲劳验算。显然，作为抽水蓄能电站机组蜗壳设计是应考虑金属疲劳 问题，但是进行金属疲劳验算需具备材质疲劳特性试验数据、荷载循环次数、荷载变幅等资 料和数据，比较复杂，作为业主掌握和控制只能在设备采购招标订货中对蜗壳设计允许应力 提出要求，把握一定的尺度，并且留有余地，以将金属疲劳因素纳入蜗壳钢衬设计之中。 就广蓄工程而言，一期设备订货时，由于对电站运行工况了解和金属疲劳问题尚认识 不足，蜗壳钢衬设计允许应力选值稍偏高，设计情况采用44%屈服强度，试验情况 （1.5倍设 计水头压力）采用66%屈服强度。二期工程设备订货时业主强调提出要考虑金属疲劳问题， 降低设计允许应力值，并与德国VOITH厂家研讨并取得共识，设计情况的允许应力取1/3屈服 强度或1/4抗拉强度中的低值，试验情况(1.5倍设计水头压力)仍取2/3屈服强度。 表1列举出几座大型抽水蓄能电站蜗壳设计的一些资料(*VOITH厂家提供)，从中测算分 析，设计情况的允许应力取值也是控制在1/3屈服强度或1/4抗拉强度左右，对于选用高强钢 49 板其屈强比(屈服强度/抗拉强度) 0.67 时，其屈服强度取值也是用0.67抗拉强度。如此说 来，蜗壳钢衬设计允许应力取值也就考虑了金属抗疲劳因素在内，并有适度的安全储备了。 表1 国内外几座大型抽水蓄能电站蜗壳设计资料 电站 所在 蜗壳进 设计 试验 蜗壳钢衬 蜗壳钢衬 蜗壳钢衬 投产 名称 地区 口直径 压力 压力 厚度 屈服强度 极限强度 年份 (mm) (Mpa) (Mpa) (mm) (Mpa) (Mpa) Bath County 美国 3018 5.42 8.13 47/19 690 790 1983 Bad Creek 美国