談清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水輪機(jī)座環(huán)蝸殼安裝的控制

呂志鵬，黃運(yùn)福

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853；2.中國水利水電第十四工程局清蓄機(jī)電安裝項(xiàng)目部，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

1 工程概況

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站機(jī)組由日本東芝設(shè)計，國內(nèi)（東芝水電）生產(chǎn)制作，單機(jī)容量為320MW。其座環(huán)蝸殼采用兩瓣結(jié)構(gòu)，第1瓣蝸殼重約104t，第2瓣蝸殼重約85.5t，座環(huán)法蘭面內(nèi)徑5.61m。廠內(nèi)制造后與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件預(yù)裝，各項(xiàng)裝配精度檢查合格后，分解運(yùn)至現(xiàn)場后在現(xiàn)場完成拼裝、焊接和安裝，座環(huán)各法蘭面不再進(jìn)行二次加工。根據(jù)設(shè)計要求在座環(huán)蝸殼現(xiàn)場安裝、澆筑后，座環(huán)法蘭面水平值應(yīng)在0.05mm/m范圍內(nèi)，以保證座環(huán)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的裝配精度。

2 工藝難點(diǎn)和主要控制措施

由于該電站座環(huán)蝸殼現(xiàn)場不再進(jìn)行二次加工，必須通過有效的施工工藝，控制好焊接變形、安裝精度以及混凝土澆筑時位移變化，并對各道工序嚴(yán)格把關(guān)。

針對主要工序存在風(fēng)險，采用的主要施工措施如下：

（1）在安裝間座環(huán)蝸殼拼裝時，為防止座環(huán)法蘭面變形，預(yù)先把合座環(huán)組合法蘭面螺栓，在預(yù)緊力約束下完成座環(huán)組合縫焊接。

（2）在座環(huán)蝸殼在機(jī)坑就位調(diào)整后，臨時安裝底環(huán)、頂蓋、導(dǎo)葉等部件，通過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)對座環(huán)蝸殼夾緊約束，減小焊接變形對座環(huán)水平的影響。

（3）在澆筑前，將底環(huán)、錐管與肘管連接，安裝足量錨桿，加以蝸殼保壓狀態(tài)時的重量，遠(yuǎn)大于混凝土澆筑的上浮力，可防止其上浮。

（4）澆筑過程中，采用多層澆筑方式和合理的澆筑順序，并通過有效的監(jiān)控措施指導(dǎo)澆筑，減小混凝土澆筑對座環(huán)水平影響。

3 主要工藝流程

根據(jù)制定的控制措施，制定的工藝流程為：

施工準(zhǔn)備→座環(huán)蝸殼拼裝→座環(huán)蝸殼機(jī)坑就位→導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與座環(huán)蝸殼臨時把合→蝸殼組合縫焊接→蝸殼延伸管焊接→座環(huán)蝸殼整體加固→水壓試驗(yàn)套件安裝→蝸殼水壓試驗(yàn)→座環(huán)蝸殼保壓澆筑→完成與數(shù)據(jù)復(fù)測。

4 施工工藝

4.1 座環(huán)蝸殼拼裝

分瓣座環(huán)蝸殼運(yùn)至廠房后，橋機(jī)卸車至安裝間，注意用鋼支墩和楔子板配合將其墊高，同時也以便座環(huán)水平度的調(diào)整工作。

清掃座環(huán)分瓣組合法蘭面后，用橋機(jī)完成拼裝組合，見圖1。

在焊接前，對座環(huán)法蘭面把合螺栓預(yù)拉伸，拉伸值為設(shè)計50%，焊接后再完成100%的拉伸。要求組合縫應(yīng)無間隙，局部間隙不能大于0.05mm[1]。

為便于在組合縫焊接時對座環(huán)法蘭面的水平監(jiān)控，座環(huán)上法蘭整體水平波浪度調(diào)整在0.20mm以內(nèi)（即小于0.04mm/m），測量儀器采用高精度（0.01mm）水準(zhǔn)儀測量。水平合格后，內(nèi)徑千分尺測量、記錄座環(huán)鏜口內(nèi)徑，應(yīng)符合廠家設(shè)計要求。

圖1 安裝間座環(huán)蝸殼拼裝圖Fig.1 Installation of the ring casing assembly drawing

組合面長2.8m、寬約0.5m，為了減少焊接對座環(huán)水平影響，組合縫的焊接順序定為：固定導(dǎo)葉區(qū)域→座環(huán)立面內(nèi)側(cè)→座環(huán)立面外側(cè)立焊→座環(huán)平面區(qū)域平焊→座環(huán)平面區(qū)域仰焊→上下法蘭面平焊、仰焊，圖2為焊接順序圖。

圖2 座環(huán)組合縫焊接順序Fig.2 Sequence of welding seam welding

焊接采用手工電弧焊，4名焊工對稱、分段、多層、多道焊接。

注意在填充焊接時，應(yīng)用錘擊法對焊縫消除應(yīng)力，除打底和蓋面焊接外。

打底焊的預(yù)熱采用火焰加熱，溫度為100～120℃；填充焊接，使用加熱塊預(yù)熱至100～120℃；焊接后進(jìn)行后熱處理，后熱時間1h，溫度控制在200～250℃，降溫時溫差應(yīng)小于30℃/h。

焊接過程中用百分表對座環(huán)的法蘭面實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)天開始焊接前，再用高精度水準(zhǔn)儀測量復(fù)測，如發(fā)現(xiàn)有較大變形，及時采用反變形的措施，確保座環(huán)的水平。

焊接完成后，所有焊縫外觀進(jìn)行100%的檢查，由于是填充焊僅進(jìn)行PT無損探傷檢查。另外，測量座環(huán)上法蘭整體水平波浪應(yīng)小于0.20mm。

4.2 座環(huán)蝸殼機(jī)坑就位

座環(huán)組合縫焊接合格且機(jī)坑基礎(chǔ)具備條件后，座環(huán)蝸殼吊裝就位。按要求調(diào)整高程、水平和中心至設(shè)計要求值。

4.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)與座環(huán)蝸殼臨時把合

為了防止蝸殼組合縫焊接時出現(xiàn)的焊接應(yīng)力，造成座環(huán)水平發(fā)生變形，將安裝頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉和水導(dǎo)軸承座，對座環(huán)蝸殼夾緊約束后，實(shí)施蝸殼組合縫的焊接，以達(dá)到控制座環(huán)水平的目的。

組裝流程為：座環(huán)蝸殼調(diào)整合格→底環(huán)與錐管組裝→底環(huán)與錐管吊入機(jī)坑與底環(huán)把合→導(dǎo)葉（奇數(shù)或偶數(shù)號）吊裝就位→頂蓋吊裝就位→導(dǎo)軸承座安裝→座環(huán)蝸殼水平整體調(diào)整。

在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)各部件吊裝過程中，應(yīng)實(shí)時對座環(huán)上蘭面水平監(jiān)控，如果水平超標(biāo)及時調(diào)整。

4.4 蝸殼組合縫焊接

焊前檢查蝸殼組合縫的錯牙情況，如錯牙超過5%的厚板，用壓碼、楔子板和千斤頂進(jìn)行校正。焊工經(jīng)考試合格后方可施焊[1]，然后按焊接作業(yè)指導(dǎo)書的要求做好預(yù)熱、焊接。

焊接預(yù)熱采用加熱塊進(jìn)行，基本與座環(huán)組合縫預(yù)熱試一致。

由于該電站蝸殼組合縫采用單“V形”坡口，采用焊接順序見圖3。采用4名焊工在兩條組合縫的對稱部位，力求以盡可能相同的焊接工藝及參數(shù)施焊——焊接電流、焊接速度、焊接方向、焊接道數(shù)和層數(shù)，進(jìn)行多層、多道鑲邊、對稱、分段（分段長度一般為100～150mm）焊接。禁止采用直通的焊接方法，焊接要連續(xù)，盡量避免中斷。

圖3 蝸殼環(huán)節(jié)焊接順序Fig.3 Welding sequence of spiral case

焊接變形監(jiān)控采用精度水準(zhǔn)儀對座環(huán)上法蘭水平變化監(jiān)測（16個點(diǎn)），同時用框式水平儀測量底環(huán)抗磨板水平輔助。水平出現(xiàn)異?，F(xiàn)象立刻停止焊接，并對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用反方向控制焊接順序，調(diào)整焊接速度，直至合格為止。

焊接完成后，所有焊縫外觀進(jìn)行100%的檢查，采用TOFD無損探傷檢查。

4.5 蝸殼延伸管安裝

到貨的蝸殼延伸管有配割余量，在蝸殼組合縫焊接完成后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況配割，完成后安裝與蝸殼對接調(diào)整、焊接。

焊接方法與蝸殼環(huán)縫的焊接工藝、無損探傷檢測一樣。

4.6 座環(huán)蝸殼整體加固

蝸殼焊縫焊接完成后，按順序拆除水導(dǎo)軸承座、頂蓋、導(dǎo)葉。完成后，重新復(fù)測座環(huán)上法蘭的水平波浪度，要求控制在0.20mm以內(nèi)，防止后序工序使水平加大而不能滿足設(shè)計要求。驗(yàn)收合格后，對座環(huán)蝸殼的基礎(chǔ)板、楔子板、拉錨等緊固件按廠家要求最終焊接固定，以防止蝸殼水壓試驗(yàn)時出現(xiàn)位移和水平變化。

4.7 蝸殼水壓試驗(yàn)套件安裝

按照設(shè)計圖紙將打壓設(shè)備（延伸管悶頭、座環(huán)封水環(huán)）及管路組裝完成，并將蝸殼上的法蘭和測量管妥善封堵，防止水壓試驗(yàn)時滲漏，圖4為封水環(huán)固定示意圖。

為便于在蝸殼水壓試驗(yàn)時監(jiān)控蝸殼的外形和水平變化，蝸殼周邊布置百分表監(jiān)控蝸殼的膨脹情況，測點(diǎn)6點(diǎn)，底環(huán)抗磨板處布置框式水平儀監(jiān)控水平變化情況，測點(diǎn)4個。

4.8 蝸殼水壓試驗(yàn)

按蝸殼水壓試驗(yàn)程序進(jìn)行蝸殼注水、增壓、保壓、降壓。加壓時，控制升壓速度、壓力，實(shí)時監(jiān)控蝸殼各部位的變形情況，如發(fā)現(xiàn)漏水、蝸殼變形量太大、座環(huán)蝸殼整體位移等異常情況要第一時間停止試驗(yàn)，在經(jīng)過處理并再次驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行試驗(yàn)。水壓試驗(yàn)合格后，對座環(huán)上法蘭面的水平重新復(fù)測，合格后方可進(jìn)入下一道工序。

4.9 蝸殼保壓澆筑

為防止對蝸殼澆筑混凝土?xí)r，產(chǎn)生座環(huán)蝸殼浮動、位移，采用全面分層方式澆筑蝸殼，分層高度為1.0～1.5m。第一層先完成錐管的澆筑，先將錐管澆筑固定。第二層澆筑至蝸殼底部位置。由于底環(huán)已與座環(huán)把合，底環(huán)澆筑后可對座環(huán)蝸殼的中心進(jìn)行固定和約束，此時基本無混凝土浮力。第三層澆筑至蝸殼中間位置，以避免產(chǎn)生更大的浮力。第四次澆筑至蝸殼頂部40cm。

通過計算座環(huán)蝸殼以及內(nèi)部的存水，再加上導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、封水環(huán)、錐管等的總重量，約為澆筑混凝土?xí)r的浮力的3倍，只要混凝土澆筑均衡，蝸殼不會上浮。另外，座環(huán)蝸殼周邊設(shè)置大量的拉緊產(chǎn)生側(cè)向下拉力，以及座環(huán)蝸殼基礎(chǔ)螺栓等也可以保證蝸殼不產(chǎn)生位移。

圖4 封水環(huán)固定示意圖Fig.4 Schematic diagram of sealing water seal ring

每一層混凝土澆筑應(yīng)對稱進(jìn)行，控制混凝土澆筑上升速度在200～300mm/h。液態(tài)混凝土高度控制在300mm左右。

由于底環(huán)、座環(huán)、蝸殼陰影區(qū)域是無法澆筑密實(shí)，澆筑前應(yīng)對稱預(yù)埋澆筑鋼管，以便混凝土填充，出口混凝土壓力應(yīng)小于10bar（1bar=105Pa），注意將座環(huán)蝸殼所有的排氣管、灌漿管口打開。

在進(jìn)行蝸殼本體澆筑前，務(wù)必將蝸殼內(nèi)部水壓力增壓至設(shè)計要求值，并持續(xù)保壓至灌漿完成，過程中全程監(jiān)控保壓，防止混凝土熱量使壓力升高。

在完成錐管澆筑后固定后，以錐管內(nèi)支撐為固定，設(shè)置監(jiān)控平臺，安裝百分表監(jiān)控座環(huán)蝸殼位移變化情況，要求在第二層和第三層澆筑時進(jìn)行全程對底環(huán)的水平面監(jiān)控。通過數(shù)據(jù)指導(dǎo)混凝土澆筑。

5 結(jié)束語

座環(huán)蝸殼不進(jìn)行二次加工的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：①對制造加工、現(xiàn)場安裝調(diào)整及混凝土澆筑的精度要求較高，但整個工期會縮短很多，安裝工序也更簡約；②在工廠內(nèi)部可以進(jìn)行預(yù)裝，能及時發(fā)現(xiàn)問題在廠內(nèi)進(jìn)行處理，先期解決了一些現(xiàn)場安裝可能出現(xiàn)的問題；③工廠的加工精度比現(xiàn)場進(jìn)行二次加工的精度更高，保證了設(shè)備的質(zhì)量。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站4臺機(jī)組的座環(huán)蝸殼已完成澆筑工作，各臺機(jī)組的座環(huán)水平度均勻控制在0.04mm/m，整體水平波浪度小于0.20mm。實(shí)踐證明清遠(yuǎn)抽水蓄能電站座環(huán)蝸殼不進(jìn)行二次加工通過采用上述有效的施工工藝進(jìn)行安裝控制，是可行的，可供同類型工程借鑒。

GB/T 8564—2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

GB/T 8564—2003 Technical specification for installation of hydro generating units[S].Beijing：Standards press of China，2003.

呂志鵬（1983—），男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行檢修和基建工作等。E-mail：254223354@qq.com

黃運(yùn)福（1983—），男，工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)安裝及維護(hù)工作。E-mail：resetboy@126.com