大型混流式水輪機(jī)座環(huán)安裝與焊接工藝

周若愚

（中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局，陜西西安 710032）

大型混流式水輪機(jī)座環(huán)安裝與焊接工藝

周若愚

（中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局，陜西西安 710032）

根據(jù)金沙江魯?shù)乩娬咀h(huán)特點(diǎn)，介紹了其安裝、調(diào)整、焊接及機(jī)械加工等工藝，闡述了座環(huán)安裝過程的質(zhì)量控制難點(diǎn)、重點(diǎn)；并總結(jié)了存在的問題及處理方法，從而使其安裝質(zhì)量達(dá)到設(shè)計和規(guī)范的要求，以期為類似大型混流式水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場組焊及安裝提供借鑒。

魯?shù)乩娬?；座環(huán)安裝；焊接工藝；機(jī)械加工

大型混流式水輪機(jī)座環(huán)一般采用平板結(jié)構(gòu)，具有外形尺寸大、重量大以及環(huán)板厚度厚等特點(diǎn)。一般由兩塊環(huán)形部件與若干片固定導(dǎo)葉組成，構(gòu)成從蝸殼到導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間通道的結(jié)構(gòu)部件，座環(huán)有支撐與承受上部機(jī)墩及機(jī)組重 量、蝸殼內(nèi)水壓力及水輪機(jī)軸向水推力等的作用，并將它們傳遞到廠房混凝土基礎(chǔ)。

魯?shù)乩娬咀h(huán)由東電制造，由上下環(huán)板、固定導(dǎo)葉、過渡板、導(dǎo)流板、底板、上法蘭板組成，采用鋼板焊接制成，分4瓣運(yùn)輸至工地，現(xiàn)場組合、焊接與安裝。作為底環(huán)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的支承，座環(huán)設(shè)有轉(zhuǎn)輪、底環(huán)與頂蓋支撐平面。座環(huán)上下環(huán)板采用ASTM A516M Gr485-Z25抗撕裂優(yōu)質(zhì)鋼板焊接制成，其厚度為 170mm，座環(huán)底板和立圈材質(zhì)為 Q345C，焊縫坡口為不對稱 X型坡口；固定導(dǎo)葉采用 ASTM A516MGr485制作，過渡板采用ADB610D制作，其中固定導(dǎo)葉有24個，其中心線安裝高程1124.0m，座環(huán)組裝后座環(huán)最大外徑Φ10500mm，高度3730mm，總重量為165.7t。魯?shù)乩娬咀h(huán)結(jié)構(gòu)見圖1。

蝸殼尾部及大舌板均在廠內(nèi)焊在座環(huán)上，與座環(huán)一起在廠內(nèi)進(jìn)行退火，并在工廠整體預(yù)裝。座環(huán)各分瓣件的組合面進(jìn)行精加工，并配有錐形定位銷和帶有鉆好孔的連接法蘭。座環(huán)分瓣面處過渡板(上下各4塊)已在車間預(yù)裝配割并開好坡口，在工地待座環(huán)分瓣面焊縫焊接完成后進(jìn)行安裝與焊接。在座環(huán)與頂蓋、底環(huán)、固定止漏環(huán)、轉(zhuǎn)輪等配合面留 3～5mm的加工余量，澆注混凝土后，工地進(jìn)行上述配合面的加工。

魯?shù)乩娬咀h(huán)具有大型混流式水輪機(jī)座環(huán)的明顯特征，魯?shù)乩娬咀h(huán)的成功安裝，其現(xiàn)場組焊、安裝技術(shù)為后續(xù)大型混流式水輪機(jī)座環(huán)安裝提供了有益的借鑒和指導(dǎo)。

1 施工準(zhǔn)備

（1）二期混凝土澆筑完畢形成座環(huán)安裝支墩，養(yǎng)生到70%強(qiáng)度。

（2） 校核座環(huán)基礎(chǔ)板水平（≤1mm/m）、方位（≤10mm）與高程（-5mm，0）合格。

（3）對壓力鋼管安裝基準(zhǔn)點(diǎn)與廠房坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校核，確認(rèn)兩者偏差在范圍內(nèi)。焊接座環(huán)安裝用線架，用全站儀放出座環(huán)安裝的基準(zhǔn)線（X、Y軸線）；并將座環(huán)安裝高程基準(zhǔn)點(diǎn)放在適當(dāng)位置，加以保護(hù)。

（4）編制施工技術(shù)措施、安全防護(hù)措施和質(zhì)量控制措施，對所有參加座環(huán)安裝的作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底。熟練掌握座環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、裝配程序、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等。

2 座環(huán)拼裝

分瓣座環(huán)運(yùn)至主廠房安裝間工位后，清掃、檢查各組合面焊縫坡口面及坡口兩側(cè)各 50mm范圍內(nèi)的鐵銹、毛剌、氧化皮等雜物，直至露出金屬光澤，滿足焊縫焊接的要求；打磨與基礎(chǔ)環(huán)焊縫油漆。

打磨、清掃完成后，利用廠房橋機(jī)將+Y方向的座環(huán)第一瓣體（帶舌板）吊起并粗調(diào)其水平，放置于相應(yīng)的座環(huán)鋼支墩上。用千斤頂初步調(diào)整該座環(huán)瓣體的水平；在第一瓣座環(huán)初步調(diào)整完成以后，將第二瓣座環(huán)瓣體（+X方向）吊起并粗調(diào)其水平，吊至已準(zhǔn)備好的鋼支墩上，用千斤頂調(diào)整該瓣座環(huán)瓣體與前一瓣體對齊，調(diào)整到兩瓣體分瓣面組合孔基本不錯牙時，裝入相應(yīng)的組合螺柱M56×360、墊圈56，并擰上相應(yīng)的螺母M56，對稱均勻擰緊螺母M56，同時測量座環(huán)分瓣面的間隙、錯牙。根據(jù)分瓣面的間隙情況、錯牙情況，調(diào)整組合螺母的擰緊順序，當(dāng)調(diào)整到兩瓣座環(huán)分瓣面銷套孔基本不錯牙時，裝入相應(yīng)的Ф50圓柱銷。

依照上面的步驟依次順時針吊裝并組裝其余的座環(huán)瓣體。座環(huán)分瓣瓣體組裝完成后，按照要求把緊M56組合螺栓。測量座環(huán)水平、圓度、上下環(huán)板同軸度，滿足設(shè)計要求；實測座環(huán)上、下環(huán)板過流面間的開檔距離，校核標(biāo)記于相應(yīng)的固定導(dǎo)葉上來作為固定導(dǎo)葉的安裝中心線，此中心線將確定機(jī)組的安裝高程。

3 座環(huán)焊接

3.1 焊接參數(shù)

座環(huán)的焊接采用手工電弧焊，層間溫度≤200℃；擺動寬度≤3倍焊條直徑；E5015焊條：最大焊接線能量≤42KJ/cm；CHE62CFLH焊條：最大焊接線能量≤30KJ/cm；手工焊焊接速度：3～8cm/min。

用電加熱器預(yù)熱待焊區(qū)及其鄰近區(qū)域，使得待焊區(qū)域及其附近100mm范圍內(nèi)達(dá)到120℃，并在整個焊接過程中不低于預(yù)熱溫度。

焊接電流、電壓見表1、2、3。

3.2 焊接順序

整個座環(huán)焊縫焊接順序為①→②→③→④,見圖 1。單條焊縫焊接順序：正縫焊接 50%→背縫清根、打磨、探傷→背縫焊接50%→正縫焊接100%→背縫焊接100%。

3.3 焊接工藝

為減少座環(huán)在安裝間工位占用時間，座環(huán)在安裝間拼裝完成后時，只對座環(huán)上下環(huán)板、底板及立圈進(jìn)行焊接，其余焊縫在座環(huán)吊至機(jī)坑調(diào)整完成后再進(jìn)行焊接。

上下環(huán)板焊接時，采用對稱分段退步焊、窄道焊工藝。由4名焊工上下對稱進(jìn)行焊接，每層焊縫之間的接頭應(yīng)錯開至少20mm。先進(jìn)行焊縫坡口打底焊，焊接上環(huán)板正面、下環(huán)板背面坡口（坡口形式見圖 2）一定量（35～45mm）后，清根，再焊接上環(huán)板背面、下環(huán)板正面坡口一定量，如此交替焊接直至坡口填滿。按照上下環(huán)板工藝焊接座環(huán)底板及立圈。焊接完成并冷卻至常溫 24h后，按照 ASME標(biāo)準(zhǔn)對座環(huán)焊縫做UT探傷。

4 座環(huán)安裝

4.1 基礎(chǔ)環(huán)吊裝

在座環(huán)吊裝前，將分瓣的錐管湊合節(jié)及拼焊好的基礎(chǔ)環(huán)整體吊入機(jī)坑就位，湊合節(jié)按安裝位置分開放置于錐管支撐四周，基礎(chǔ)環(huán)放置于錐管管口上，并用四個千斤頂對基礎(chǔ)環(huán)對稱支撐。為防止對座環(huán)的吊裝造成影響，基礎(chǔ)環(huán)的放置高程比設(shè)計高程低約50mm。

4.2 座環(huán)吊裝

座環(huán)吊裝前，在座環(huán)支墩均勻的方向布置四個100t千斤頂，用廠房550t橋機(jī)整體吊裝座環(huán)就位于機(jī)坑已布置好的支墩上。調(diào)整千斤頂將座環(huán)整體頂起，調(diào)整楔子板的頂面高程比實際需要高程低3～5mm，調(diào)整座環(huán)千斤頂?shù)捻斆娓叱瘫葘嶋H需要高程低3～5mm。

根據(jù)校核的各固定導(dǎo)葉中心點(diǎn)確定出固定導(dǎo)葉中心平面。調(diào)整千斤頂，使座環(huán)固定導(dǎo)葉中心平面的高程與設(shè)計值的偏差應(yīng)不超過±3mm。標(biāo)記的座環(huán)中心線與座環(huán)上、下環(huán)板法蘭面原則上相互平行的三個平面。在座環(huán)中心線的高程、水平調(diào)整合格后，復(fù)測座環(huán)上、下環(huán)板法蘭面的水平。

根據(jù)預(yù)設(shè)機(jī)組基準(zhǔn)線X、Y標(biāo)點(diǎn)掛十字鋼琴線，利用拉筋、千斤頂?shù)裙ぞ哒{(diào)整座環(huán)的中心及方位。使座環(huán)上法蘭面上的X、Y標(biāo)記與十字鋼琴線重合，單個值的偏差應(yīng)不超過±4mm，平均值的偏差應(yīng)不超過±3mm。

座環(huán)的高程、水平、中心及方位調(diào)整完成后，測量座環(huán)上、下密封面的圓度；測量座環(huán)上、下密封面的同軸度。座環(huán)上、下密封面的圓度應(yīng)不超過2mm；座環(huán)的同軸度應(yīng)不超過2mm。必要時應(yīng)重新調(diào)整座環(huán)的水平。測量座環(huán)上法蘭面到座環(huán)下法蘭面的距離；測量座環(huán)上、下環(huán)板間的開檔距離。

座環(huán)的高程、水平、中心及方位調(diào)整合格后，同時座環(huán)的同軸度檢查合格后，將相應(yīng)的楔子板打緊；將相應(yīng)的座環(huán)千斤頂預(yù)緊。其后取出相應(yīng)的調(diào)整用的千斤頂，按設(shè)計要求將相應(yīng)的地腳螺栓預(yù)緊到設(shè)計值。地腳螺栓把緊后，復(fù)查座環(huán)的中心、方位及座環(huán)中心線的高程、水平，復(fù)查座環(huán)的同軸度，應(yīng)滿足相應(yīng)的要求。并按要求將座環(huán)地腳螺栓圓螺母與相應(yīng)的座環(huán)底座及基礎(chǔ)板點(diǎn)焊固定。

4.3 附件安裝

座環(huán)調(diào)整完成后，按照要求裝配過渡板、導(dǎo)流板、導(dǎo)葉集水盒等附件，并按照要求對座環(huán)進(jìn)行加固。過渡板安裝時，過流面錯牙應(yīng)不超過 3mm，局部錯牙大于3mm且不可調(diào)整的部位，對于過流面，應(yīng)采用1:4的焊縫過渡；對于非過流面，應(yīng)采用1:3的焊縫過渡。檢查過渡板組合縫的間隙，對于間隙大于4mm的部位應(yīng)采用先長焊的把法來處理直至間隙不大于4mm為止。

過渡板組合縫焊接完成后，將過渡板過流面焊縫打磨光滑。對過渡板所有焊縫做探傷檢查。

5 座環(huán)加工

為保證座環(huán)安裝質(zhì)量，在整個機(jī)坑混凝土澆注養(yǎng)護(hù)合格后，將座環(huán)、機(jī)坑里襯清理干凈。按相應(yīng)的座環(huán)加工工具圖安裝座環(huán)加工工具，以座環(huán)下鏜口中心為基準(zhǔn)同時兼顧座環(huán)上鏜口中心調(diào)整座環(huán)加工工具，座環(huán)加工工具的回轉(zhuǎn)中心應(yīng)與座環(huán)下鏜口同心，偏差應(yīng)小于0.10mm。調(diào)整座環(huán)加工工具回轉(zhuǎn)中心垂直，座環(huán)加工工具回轉(zhuǎn)一周，其轉(zhuǎn)臂的高程差應(yīng)不大于0.05mm。

座環(huán)加工工具安裝合格后，首先對底環(huán)安裝面進(jìn)行加工，直至從固定導(dǎo)葉中心線到該加工平面距離滿足圖紙要求，其平面度在周向應(yīng)不大于0.30mm，徑向應(yīng)不大于0.20mm。

加工時，每個面加工都是由最高點(diǎn)開始，開始進(jìn)刀時不得過大，待所有座環(huán)或基礎(chǔ)環(huán)上面都被加工有金屬光澤時，便可以加大加工進(jìn)刀量，但每進(jìn)一次刀均應(yīng)檢查該面的高程、水平或圓度。加工到只剩1mm左右時，每次進(jìn)刀不得大于0.20mm，同時每次仍需要檢查該面的高程、水平或圓度。

對座環(huán)下鏜口及上鏜口進(jìn)行加工，加工后的直徑應(yīng)滿足圖紙要求，上下鏜口同軸度應(yīng)不大于1mm。

對座環(huán)上平面進(jìn)行加工，考慮到座環(huán)下沉導(dǎo)致導(dǎo)葉端面間隙減小，加工后該平面到底環(huán)安裝面距離應(yīng)比設(shè)計要求值大 0.30mm左右，同時該平面的平面度在周向應(yīng)不大于 0.30mm，徑向應(yīng)不大于0.20mm。另外，該平面與底環(huán)安裝面的平行度應(yīng)不大于0.20mm。

6 座環(huán)安裝的重點(diǎn)及難點(diǎn)

6.1 座環(huán)焊接過程控制

在座環(huán)焊縫焊接時，主要是上下環(huán)板的焊接過程中，每班施焊前，必須先用水準(zhǔn)儀測量上下環(huán)板和各層法蘭面的平度；當(dāng)變形超過0.5mm時，應(yīng)調(diào)整焊接順序，從而控制焊接變形。

應(yīng)根據(jù)變形情況改變焊接順序以減少變形，必要時應(yīng)中斷焊接，待焊縫在石棉被覆蓋下緩慢冷卻至與環(huán)境溫度一致時，測量座環(huán)上、下法蘭面的水平度；測量座環(huán)上、下密封面的圓度，從而調(diào)整焊接順序。

同時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）如坡口根部不易施焊可將破口兩側(cè)適當(dāng)加寬約 3mm，但根部不能摳穿，并進(jìn)行打磨和 PT探傷。

（2）采用Ф3.2焊條進(jìn)行根部焊接，焊接30mm厚進(jìn)行背部焊接，根部焊接采用Ф3.2，從根部焊接20mm以上，除第一層采用多道焊，采用Ф4.0焊接第二道焊縫。

（3）兩把合快接觸面間開槽焊接加固，并在環(huán)板上增加搭板。

（4）焊接時，焊道分布為先兩邊后中間。

（5）底板和立圈焊縫采用 30-36mm搭板，立圈焊縫應(yīng)多錘擊焊縫。

6.2 座環(huán)安裝尺寸控制

在座環(huán)安裝調(diào)整時，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

（1）由于座環(huán)水平、中心、方位調(diào)整時必定會相互影響，因此，調(diào)整工作必定會反復(fù)進(jìn)行多次才能滿足上述要求。應(yīng)該先調(diào)整容易滿足的，其次是難一點(diǎn)，以此類推。先調(diào)整座環(huán)中心、方位，再調(diào)整座環(huán)中心線水平。

（2）如果在座環(huán)的中心、方位調(diào)整時，座環(huán)上法蘭面上 X、Y標(biāo)記與十字鋼琴線的偏差很難同時滿足時，此時應(yīng)首先保證Y標(biāo)記與鋼琴線重合，其次保證X標(biāo)記與鋼琴線重合。

7 結(jié) 語

魯?shù)乩娬咀h(huán)外形尺寸、重量較大，環(huán)板較厚，同時座環(huán)也支撐與承受上部機(jī)墩及機(jī)組重量、蝸殼內(nèi)水壓力及水輪機(jī)軸向水推力等作用，且安裝、焊接難度大，對安裝、焊接工藝應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，尤其是座環(huán)的焊接施工是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

魯?shù)乩娬咀h(huán)的安裝，形成了一整套完整的大型混流式水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場組焊及安裝工藝和方法，4#、5#、6#座環(huán)的安裝工期比1#、2#、3#座環(huán)平均縮短了 25天，其成熟、完善的安裝及焊接工藝，為后續(xù)建設(shè)的大型混流式電站的座環(huán)安裝提供了有益的借鑒和指導(dǎo)。

[1] 李文,何曉昱.淺談積石峽電站水輪機(jī)座環(huán)焊接[J].四川水力發(fā)電.2011年03期

[2] 李紅春.三峽左岸電站阿爾斯通機(jī)組座環(huán)安裝與焊接工藝簡介.水電站機(jī)電技術(shù).2001年02期

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.021

TV547.3

B

1008-1305（2014）01-0065-04

周若愚（1983年-），男，工程師。