水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝新工藝探索

陳廣生 廣東省源天工程有限公司

蝸殼是一種多見(jiàn)于水利樞紐工程中的作業(yè)結(jié)構(gòu)，全稱為蝸殼式引水室，可實(shí)現(xiàn)均勻供水、減輕導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的工作壓力。水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼具有基礎(chǔ)重量大、工作環(huán)節(jié)多、安裝難度大等特點(diǎn)，在安裝工程中，常規(guī)處理工藝的效果不完全理想，作業(yè)效率、工作時(shí)間無(wú)法保證，有必要就可行的新工藝進(jìn)行分析。

1.蝸殼管節(jié)的初步處理

水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝過(guò)程中，為保證處理效果，減少作業(yè)難度和工藝復(fù)雜性，建議通過(guò)地面裝配、加固，對(duì)蝸殼進(jìn)行初步處理。具體工作中，要求根據(jù)蝸殼外觀特點(diǎn)進(jìn)行分類，首選完成整齊劃一的分類處理，之后借助定位設(shè)備，通過(guò)與蝸殼管節(jié)接近的弧面樣本、間隙塊等，逐步完成蝸殼整體的裝配。一般要求優(yōu)先搭建裝配平臺(tái)，結(jié)合工作要求進(jìn)行裝配作業(yè)位置（也定位設(shè)備的擺放位置）選取，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)，獲取中心線和設(shè)備擺放范圍，確定該管節(jié)的尺寸線，放置、固定定位設(shè)施。按照早期分類結(jié)果，逐一將蝸殼設(shè)備移動(dòng)至裝配區(qū)域，要求蝸殼與定位板實(shí)現(xiàn)緊密接觸，借助間隙塊填充多余空隙。管節(jié)的開(kāi)口部分，借助弧形設(shè)備進(jìn)行校對(duì)，確保其尺寸規(guī)范、位置得當(dāng)，之后校對(duì)整體裝配效果，無(wú)異?？蛇M(jìn)行電焊加固，對(duì)蝸殼各鏈接部位進(jìn)行焊接并去除明顯焊瘤。

表1 支架結(jié)構(gòu)和參數(shù)要求

在蝸殼管節(jié)初步處理的過(guò)程中，采用組合式活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配平臺(tái)搭建，該結(jié)構(gòu)以鋼卷板為核心，提供具有一定形變自恢復(fù)能力的多層鋼卷板，借助螺栓進(jìn)行鋼卷板之間的固定。要求卷板組成后的規(guī)格略大于代加工蝸殼，完成裝配和加工后，可將蝸殼吊移，繼續(xù)應(yīng)用鋼卷板裝配平臺(tái)進(jìn)行后續(xù)蝸殼管節(jié)處理。該模式下，作業(yè)流程沒(méi)有發(fā)生顯著變化，但借助鋼卷板搭建的組合式活動(dòng)支撐結(jié)構(gòu)，減少了反復(fù)進(jìn)行施工平臺(tái)建設(shè)、修整的工作壓力，有助于提升地面部分工作效率，歸類后逐一進(jìn)行裝配的蝸殼管節(jié)，也能提升地面作業(yè)規(guī)范性，使水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝工藝得到改進(jìn)。

2.管節(jié)地面運(yùn)輸

此前蝸殼管節(jié)的運(yùn)輸，采用完全分散或完全集中的模式，分散模式下，需要在運(yùn)輸完成后的安裝階段進(jìn)行復(fù)雜焊接、吊裝，工作繁瑣；集中模式下，蝸殼施工壓力大，對(duì)設(shè)備性能要求高。可在后續(xù)工作中采用單節(jié)蝸殼管節(jié)運(yùn)輸模式，將初步處理完成后的蝸殼，以局部管節(jié)的形式，運(yùn)輸至安裝區(qū)域，對(duì)于水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝作業(yè)而言，單節(jié)運(yùn)輸蝸殼管節(jié)的作業(yè)方式更具適用性。

具體工作中，首先對(duì)待運(yùn)輸?shù)奈仛す芄?jié)進(jìn)行規(guī)格分析，了解吊裝位置空間大小，同時(shí)分析起吊區(qū)域空間和運(yùn)輸區(qū)域的通行情況。要求在進(jìn)行蝸殼管節(jié)裝配和加固前，將其運(yùn)輸至距離安裝區(qū)域較近的地點(diǎn)，之后采用垂直起吊的方式，放置于鋼結(jié)構(gòu)支架頂部，通過(guò)間隙塊填充擺放間隙。運(yùn)輸過(guò)程中，無(wú)論采用吊裝或車(chē)輛運(yùn)輸模式，均要求嚴(yán)格避免出現(xiàn)晃動(dòng)，垂直起吊模式下，要求蝸殼管節(jié)兩側(cè)偏移的角度不超過(guò)7°，運(yùn)輸模式下，要求車(chē)輛運(yùn)輸過(guò)程中無(wú)障礙物，不需進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)彎或速度瞬時(shí)變化。以車(chē)輛運(yùn)輸為例，要求搭建鋼結(jié)構(gòu)支架，支架結(jié)構(gòu)和參數(shù)要求見(jiàn)表1。

實(shí)際工作中，如果單節(jié)蝸殼較大，可進(jìn)一步增加上述用具規(guī)格，表1所述鋼支架規(guī)格適用于大部分大型水利工程的單節(jié)蝸殼運(yùn)輸，適用性高，且能夠反復(fù)使用，不斷進(jìn)行管節(jié)運(yùn)輸，提升地面部分的施工效率和設(shè)備復(fù)用性，減少成本。

3.管節(jié)翻轉(zhuǎn)施工

完成蝸殼運(yùn)輸后，要求對(duì)其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，以契合安裝要求。在蝸殼管節(jié)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要借助液壓設(shè)備維持工作穩(wěn)定，為保證作業(yè)效率，采用的新工藝為借助模擬方式首先了解作業(yè)需要，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行作業(yè)，以翻轉(zhuǎn)架支撐、吊鉤和千斤頂輔助模式完成施工。蝸殼管節(jié)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，需要控制的核心參數(shù)為力矩陣變化，在常規(guī)吊裝過(guò)程中，蝸殼的力矩基本保持不變，翻轉(zhuǎn)時(shí)，垂直方面的力不斷集中，應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)槲仛す芄?jié)下部，直到翻轉(zhuǎn)完成，受力點(diǎn)持續(xù)下移。以蝸殼底部為最高，以A表達(dá)該點(diǎn)的受力總量，獲取一個(gè)計(jì)算式：

式1中，t表達(dá)管節(jié)重量，單位為噸，g表達(dá)重力加速度，h表達(dá)蝸殼距離安裝地點(diǎn)的高度，單位為m，s表達(dá)翻轉(zhuǎn)速度，單位為s，X表達(dá)風(fēng)力參數(shù)和其他動(dòng)態(tài)參數(shù)，具有可變性?？纱雽?shí)際工作值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建立有限元分析模型，再通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，獲取A值變化態(tài)勢(shì)，據(jù)此設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)，建立具有承重能力的翻轉(zhuǎn)架、選取合適的吊索和起重設(shè)備。具體工作中，要求結(jié)合運(yùn)算結(jié)果將單節(jié)蝸殼吊至翻轉(zhuǎn)架處，蝸殼的受力位置應(yīng)保持與翻轉(zhuǎn)架的有效結(jié)構(gòu)，在其外部利用吊索、鋼絞線進(jìn)行固定，避免蝸殼出現(xiàn)起吊不穩(wěn)、掉落問(wèn)題。領(lǐng)取吊索和鋼絞線等，牢固捆扎于翻轉(zhuǎn)架外部，對(duì)翻轉(zhuǎn)架進(jìn)行垂直起吊，以油泵提供動(dòng)力，并保持起吊過(guò)程中的速度緩慢、翻轉(zhuǎn)架和蝸殼管節(jié)位置穩(wěn)固。緩緩將翻轉(zhuǎn)架放置于支墩部位，下放過(guò)程中，保持速度均勻，直到翻轉(zhuǎn)架完成與支墩的完全有效接觸，再關(guān)閉油泵。在此過(guò)程中，可由地面人員進(jìn)行觀察和指揮，隨時(shí)了解翻轉(zhuǎn)架和蝸殼管節(jié)是否穩(wěn)定、翻轉(zhuǎn)架是否有效接觸支墩等。

圖1 蝸殼的掛裝施工流程

4.蝸殼的掛裝施工

蝸殼的掛裝施工，是整體作業(yè)的最后一個(gè)核心環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)施工可分為若干標(biāo)準(zhǔn)工序，嘗試采用新工藝，可運(yùn)用于分節(jié)固定方面，標(biāo)準(zhǔn)模式下，蝸殼的掛裝施工流程見(jiàn)圖1。

該流程下，此前集中定位、分節(jié)安裝模式精細(xì)化不足的弊端得到控制，在掛裝過(guò)程中，首選進(jìn)行X定位，也即橫向定位，根據(jù)上（+）、下（-）波動(dòng)的幅值進(jìn)行校對(duì)，核準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)掛裝位置，之后進(jìn)行縱向定位，因蝸殼翻轉(zhuǎn)完成后，其受力態(tài)勢(shì)不變的情況下，位置往往穩(wěn)定，因此只進(jìn)行偏移位置的校對(duì)（+）。完成校對(duì)夠，進(jìn)行蝸殼第一管節(jié)的掛裝，以此模式為基礎(chǔ)，完成其他管節(jié)的后續(xù)安裝。

5.可用支持性技術(shù)

在水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝過(guò)程中，牽涉到力學(xué)計(jì)算、鋼材料選取和安全管理等內(nèi)容。為保證施工效果、新工藝應(yīng)用價(jià)值，可在實(shí)際工作中通過(guò)各類支持型技術(shù)進(jìn)行輔助，如有限元技術(shù)、BIM技術(shù)等。如上文所述的管節(jié)翻轉(zhuǎn)施工環(huán)節(jié)，可在完成基礎(chǔ)參數(shù)的收集后，將其帶入BIM軟件中，加入風(fēng)力、設(shè)備老化程度等動(dòng)態(tài)因素，模擬翻轉(zhuǎn)過(guò)程中蝸殼管節(jié)出現(xiàn)偏移的可能，初次模擬無(wú)異常，可添加更多參數(shù)，或采用約束條件分析法，對(duì)可能出現(xiàn)的異常進(jìn)行二次、三次模擬，包括起吊速度和翻轉(zhuǎn)速度、支墩強(qiáng)度等。有限元分析法可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)變化的評(píng)估，在管節(jié)翻轉(zhuǎn)施工環(huán)節(jié)價(jià)值較為突出，有助于實(shí)時(shí)評(píng)估力學(xué)變化作為施工安全的保障。

綜上，水利樞紐水輪機(jī)特大型蝸殼安裝，需要考慮的因素較多，施工難度大，新工藝的應(yīng)用可應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題。蝸殼管節(jié)裝配、加固可提升作業(yè)精度，減少勞動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間。單節(jié)蝸殼管節(jié)運(yùn)輸重視為后續(xù)處理提供支持，實(shí)現(xiàn)了工作內(nèi)容拆解，蝸殼管節(jié)翻轉(zhuǎn)、吊裝有助于控制變形，從施工質(zhì)量角度實(shí)現(xiàn)安裝效果改善。