高水頭抽水蓄能電站蝸殼座環(huán)安裝要點(diǎn)

張 赫，李 兵，田 鵬，姜紅偉，陳善貴

（國網(wǎng)新源安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

1 工程簡介

績溪電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座總裝機(jī)1 800 MW的大型日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。該電站設(shè)計水頭600 m，布置6臺單機(jī)300 MW的可逆式水輪發(fā)電機(jī)組，承擔(dān)華東電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等重要功能。電站蝸殼采用800 MPa級高強(qiáng)度鋼板卷制焊接而成，厚度為25～56 mm；座環(huán)上、下環(huán)板采用抗層狀撕裂鋼板S500Q-Z35；固定導(dǎo)葉為高強(qiáng)鋼板S500Q；蝸殼在廠內(nèi)與座環(huán)焊成整體，分兩瓣運(yùn)輸至工地安裝，整體組焊后進(jìn)行15.45 MPa水壓試驗及5.15 MPa保壓澆筑。

2 蝸殼座環(huán)組焊流程

蝸殼座環(huán)焊縫示意圖見圖1。

圖1 蝸殼座環(huán)焊縫示意圖

2.1 座環(huán)焊接

首先進(jìn)行座環(huán)上、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉焊縫①～③的焊接。在坡口內(nèi)進(jìn)行約20 mm的打底焊，后交替焊滿；之后對蝶型邊焊縫④和下圍板焊縫⑤進(jìn)行焊接；最后焊接座環(huán)基礎(chǔ)環(huán)板焊縫⑥，仰焊填充約15 mm后平焊坡口并清根，平焊填充約20 mm后重新仰焊焊滿，再平焊并打磨、清理。

2.2 湊合節(jié)、導(dǎo)流板焊接

座環(huán)焊縫無損探傷合格后進(jìn)行蝸殼湊合節(jié)掛裝，掛裝前須清除坡口周邊100 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹并打磨出金屬光澤。湊合節(jié)掛裝后檢查裝配尺寸，間隙超過3 mm的可在坡口根部堆焊至間隙合格，錯牙大于2 mm的區(qū)域須按1：5過渡打磨。湊合節(jié)環(huán)縫⑦用手工電弧焊完成，采用對稱、分段、退步、多層多道、窄道焊，由蝸殼腰線對稱向兩側(cè)蝶形邊處施焊。導(dǎo)流板焊縫⑨也采用手工電弧焊，先焊與座環(huán)上、下環(huán)板連接處，后進(jìn)行導(dǎo)流板之間的拼焊，最后完成與蝸殼之間的焊縫。

2.3 蝸殼吊裝

績溪電站分瓣蝸殼組焊后吊入機(jī)坑，吊裝前需在蝸殼座環(huán)支墩上設(shè)置楔子板，并初調(diào)楔子板高程、水平，并將座環(huán)基礎(chǔ)螺桿涂抹黃油裝入基礎(chǔ)螺桿支架套管。正式起吊前進(jìn)行聯(lián)合檢查，確認(rèn)技術(shù)、安全要求滿足后方可工作。蝸殼座環(huán)吊至距蝸殼座環(huán)支墩1 m左右高處時緩慢落鉤，以機(jī)坑內(nèi)預(yù)置的X/Y方位槽鋼定位，通過調(diào)節(jié)楔子板精調(diào)座環(huán)水平，并控制蝸殼進(jìn)口與上游壓力鋼管出口方位對應(yīng)后，點(diǎn)焊固定楔子板。

2.4 延伸段焊接

吊入延伸段并調(diào)整其與蝸殼進(jìn)口間隙、錯牙合格，同時兼顧延伸段進(jìn)口面法蘭垂直度、中心高程與上游壓力鋼管出口對應(yīng)。焊接時以蝸殼延伸段內(nèi)側(cè)環(huán)縫為正縫，正縫焊接后進(jìn)行背縫清根，清根檢查合格后完成背縫焊接。

2.5 焊后消氫及探傷

焊接完成后，在熱態(tài)下對焊縫進(jìn)行消氫處理，溫度控制在250～300℃，保溫4 h，升溫速率與降溫速率控制在40～50℃/h。消氫后進(jìn)行100%TOFD+100%UT+100%MT檢查，座環(huán)上、下環(huán)板及基礎(chǔ)環(huán)板焊縫進(jìn)行100%UT+100%PT（或MT）檢查。

2.6 冷裂紋控制要點(diǎn)

高強(qiáng)鋼焊接重點(diǎn)是防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接冷裂紋主要由接頭淬硬組織、結(jié)構(gòu)拘束度，擴(kuò)散氫含量三個因素引起。低合金高強(qiáng)鋼通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和部分貝氏體混合物，鋼板淬透性好，冷裂敏感性較強(qiáng)。控制冷裂紋，現(xiàn)場可通過控制焊縫冷卻速度，避免由于冷速過快，在焊縫和熱影響區(qū)中出現(xiàn)淬硬組織；同時控制焊接預(yù)熱溫度和線能量，并合理設(shè)計焊接冷卻時的冷卻速度，使焊縫冷卻時生成韌性較好的混合組織。

3 蝸殼水壓試驗

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

蝸殼水壓試驗?zāi)康模?）為檢驗蝸殼座環(huán)焊接質(zhì)量并消除焊接過程應(yīng)力；2）績溪電站取消彈性層，在蝸殼保壓狀態(tài)下進(jìn)行混凝土澆筑，并用蝸殼中的水帶走混凝土熱量，避免因混凝土水化熱而引起設(shè)備變形；3）測量蝸殼座環(huán)膨脹量，校核廠家設(shè)計值，檢測運(yùn)行工況下座環(huán)實際變形量以考慮運(yùn)行時導(dǎo)葉端面間隙。

3.2 試驗準(zhǔn)備

蝸殼座環(huán)臨時支撐全部拆除并打磨光滑；復(fù)測方位、中心及水平值符合設(shè)計要求；初步預(yù)緊座環(huán)基礎(chǔ)螺桿，用PVC管（或熱塑管）將螺桿裸露部分包裹保護(hù)，接縫處可靠封堵，防止灌漿時漿液滲入；清潔座環(huán)與封水環(huán)、試驗悶頭配合面，確保接觸面平整無毛刺，保證打壓密封可靠。

為全面監(jiān)測水壓試驗變形量，選取蝸殼斷面徑向、軸向、斜向上45°，封水環(huán)徑向，上、下環(huán)板軸向6個點(diǎn)架設(shè)百分表，機(jī)坑+Y、-Y、+X、-X、+X-Y共5個方位布置，共30個測點(diǎn)。

3.3 試驗過程

蝸殼按照升壓、保壓、降壓的要求進(jìn)行耐壓試驗。加壓過程中，檢查蝸殼測壓接頭、蝸殼排水閥、蝸殼進(jìn)水口等部位有無滲漏；如有異常應(yīng)立即降壓排水處理；試驗過程中加壓和減壓速率按不超過0.1 MPa/min控制。多次、分步加壓一是能更好的消除焊接應(yīng)力，二是確保水壓試驗安全性。

3.4 蝸殼變形數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)值表明，壓力從0 MPa逐步上升至15.45 MPa后回到初始值，百分表測得的變形量也是從初始值到最大值再回到初始值，且變形量與壓力成正比。由此判斷，水壓試驗后蝸殼的變形屬彈性變形；最大變形發(fā)生在+X方向的蝸殼腰線處，為3.87 mm，符合廠家設(shè)計值。

圖2 水壓試驗曲線

4 蝸殼保壓澆筑要點(diǎn)

蝸殼保壓5.15 MPa時進(jìn)行混凝土澆筑，澆筑后對座環(huán)下部及蝸殼陰角處回填灌漿，確保座環(huán)下部混凝土澆筑密實。保壓澆筑速率不大于20 cm/h，混凝土高程差不大于50 cm，澆筑時須打開座環(huán)灌漿孔以觀察混凝土澆筑情況，待漿液溢出后重新封孔，回填灌漿亦可通過排氣孔觀察。

為有效控制保壓澆筑時的上浮量，避免座環(huán)高程、水平出現(xiàn)較大偏差，澆筑前須做好固定措施。傳統(tǒng)蝸殼固定一般采取在蝸殼外表面焊接鋼支撐，而高強(qiáng)鋼對焊接工藝和次數(shù)要求極高，在外表面大量焊接鋼支撐一是工藝復(fù)雜、施工效率低，二是對水壓試驗后的蝸殼產(chǎn)生新的內(nèi)應(yīng)力和變形；故自蝸殼進(jìn)口至末端分段設(shè)置柔性鋼拉鎖，沿座環(huán)上環(huán)筒耳孔處繞蝸殼外側(cè)非過流面與地面攀環(huán)固定，鋼索與蝸殼外表面接觸部分須墊銅皮防護(hù)，水壓試驗時拉鎖處于放松狀態(tài)，保壓澆筑前拉緊鋼鎖，確保蝸殼座環(huán)有效固定。

5 座環(huán)基礎(chǔ)螺桿安裝要點(diǎn)及應(yīng)力計算

5.1 基礎(chǔ)螺桿安裝要點(diǎn)

績溪電站座環(huán)設(shè)置40根M100×6的基礎(chǔ)螺桿，螺桿長約4 220 mm；采用分段、多次的拉緊工藝。在保壓澆筑前，座環(huán)下環(huán)板與基礎(chǔ)混凝土處于非接觸狀態(tài)，此時完全拉緊螺桿，混凝土將承受較大的拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全難以保障；故先按設(shè)計拉伸值的10%預(yù)緊，待蝸殼陰角及座環(huán)下部回填灌漿完成，下環(huán)板與混凝土接觸密實，確保拉緊后混凝土承受壓應(yīng)力，此時方可分段預(yù)緊基礎(chǔ)螺桿。

5.2 基礎(chǔ)螺桿應(yīng)力計算

圖3 座環(huán)受力分析

績溪電站水頭高、工況轉(zhuǎn)換頻繁，蝸殼座環(huán)在混凝土中的受力也較為復(fù)雜，為確保運(yùn)行安全，需對座環(huán)基礎(chǔ)螺桿預(yù)緊力的安全性嚴(yán)格校核。通過分析水壓力、部件重量、水重量的綜合效應(yīng)，將垂直載荷F分解為均布在座環(huán)外圍的F1，均布在底環(huán)外圍的F2，通過底環(huán)下部作用在錐管上的F3。

F1=頂蓋水壓力+頂蓋重量+60%底環(huán)水壓力+60%底環(huán)重量+座環(huán)水壓力+座環(huán)重量+座環(huán)內(nèi)水重量+60%導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水重量。

F2=底環(huán)30%水壓力+30%底環(huán)重量+30%導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水重量。

F3=底環(huán)10%水壓力+10%底環(huán)重量+10%導(dǎo)水機(jī)構(gòu)水重量。

表1 績溪電站各工況下載荷理論值 單位：N

已知單臺座環(huán)基礎(chǔ)螺桿數(shù)量為40個，尺寸為M100×6，取螺桿最小截面尺寸93 mm，并以基礎(chǔ)螺桿受力最大的轉(zhuǎn)輪升壓工況為例（考慮5%的安全裕量和10%的地震裕量）計算：

基礎(chǔ)螺桿受力：F1×1.05×1.1=7 413299.124×1.05×1.1=85623604（N），方向向上。

螺桿總截面積：

由此可知該工況下基礎(chǔ)螺桿所受應(yīng)力約315 MPa，而設(shè)計預(yù)緊力為470 MPa，安全裕度較高。

螺桿拉應(yīng)力為：

6 總結(jié)

近年來，國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組不斷向高水頭、大容量發(fā)展，對高強(qiáng)鋼蝸殼座環(huán)的安裝質(zhì)量也提出了更高要求。結(jié)合績溪電站800 MPa級高強(qiáng)鋼蝸殼安裝實際，總結(jié)以下幾點(diǎn)經(jīng)驗：

（1）蝸殼焊接過程中須嚴(yán)格控制焊接速度和焊條擺幅，確保焊縫成形質(zhì)量；配置備用電源并定期檢查完好性，避免焊接斷電后保溫不及時造成的高強(qiáng)鋼返修。

（2）現(xiàn)場安裝表明座環(huán)下圍板和下法蘭焊接對座環(huán)水平度影響較大，可采用座環(huán)分瓣面下凹的反變形控制措施，并加強(qiáng)焊接過程中的變形量監(jiān)測。

（3）湊合節(jié)焊接過程中，當(dāng)兩條環(huán)縫同時焊接時應(yīng)力不能有效釋放，而一條環(huán)縫焊接另一條處于自由狀態(tài)時，自由狀態(tài)的環(huán)縫間隙會逐步增大，建議采取一條環(huán)縫焊接時另一條環(huán)縫定位焊，效果較好。

（4）加強(qiáng)焊工管理，嚴(yán)格高強(qiáng)鋼焊工的進(jìn)出場制度，避免由于焊工水平參差不齊和變動頻繁，造成的焊接完成質(zhì)量較差和進(jìn)度滯后。

（5）嚴(yán)格保壓澆筑后的座環(huán)基礎(chǔ)螺桿預(yù)緊工藝，防止混凝土承受過量的拉應(yīng)力后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞；待回填灌漿后確認(rèn)蝸殼陰角及座環(huán)下部澆筑密實，再多次、分段地預(yù)緊基礎(chǔ)螺桿。