水電站廠房橋機(jī)改造及拆裝研究

程堂華，李青鋒

（1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311500）

0 引言

中國早期建設(shè)的水電站有石龍壩水電站、 新安江水電站及富春江水電站等，而最早的水電站，至今已有108年的歷史。早期水電站設(shè)備運(yùn)行年限較久，隨著科學(xué)技術(shù)水平的快速發(fā)展，對水電站設(shè)備的運(yùn)行要求逐漸提高，因此早期很多水電站的設(shè)備不僅暴露出眾多問題，并且也無法滿足現(xiàn)代工況使用需求，亟需進(jìn)行更換。但設(shè)備改換是一項巨大的工程，牽一發(fā)而動全身，以主廠房內(nèi)橋機(jī)改造工程為例，其邊界條件復(fù)雜、危險源較多以及安裝空間局限等特點(diǎn)十分突出，尤其針對拆除和安裝相關(guān)工程，亟需相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗進(jìn)行指導(dǎo)，因此及時對主廠房橋機(jī)改造工程相關(guān)技術(shù)進(jìn)行有效總結(jié)十分必要。

1 工程概況

富春江水電站位于浙江省桐廬縣境內(nèi)，地處錢塘江中游，在富春江水電站七里瀧峽谷出口處，上距新安江水電站60 km，下游距杭州市約90 km，是錢塘江干流上唯一的大型水電站。

富春江水電站始建于1958年8月，1962年春停工緩建，1965年10月復(fù)工續(xù)建。1968年12月25日第一臺機(jī)組建成發(fā)電，1977年4月最后一臺機(jī)組投入運(yùn)行，建成至今已近50年。電站主要水工建筑物有混凝土重力式溢流壩、河床式發(fā)、船閘、魚道及左、右灌溉渠首等。廠房內(nèi)安裝有2臺250/50 T雙梁橋式起重機(jī)，是廠房內(nèi)機(jī)組、設(shè)備檢修時物品吊運(yùn)的主力起重設(shè)備，其中1號橋機(jī)由前蘇聯(lián)制造，于1960年正式投運(yùn)，至今已工作近60年，而2號橋機(jī)由太原重型機(jī)械廠制造，于1968年正式投運(yùn)，至今已工作50多年。

2001年，富春江水電站正式運(yùn)行機(jī)組改造工程，主要是對五臺機(jī)組進(jìn)行更新，該工程一直持續(xù)至2016年5月，機(jī)組的第一輪改造才初步完成。在工程運(yùn)行過程中，需要兩臺橋機(jī)頻繁起吊大件設(shè)備，因而暴露了諸多問題，為此我院受富春江水電站業(yè)主委托，基于富春江水電站歷次安檢資料，對富春江水電站主廠房橋機(jī)改造方案進(jìn)行多方面論證和技術(shù)分析，對設(shè)備制造安裝及相關(guān)工程量進(jìn)行估算,同時結(jié)合技改項目，完成可行性研究和初步設(shè)計，并于2018年底完成項目的招投標(biāo)工作。富春江水電站主廠房橋機(jī)改造工程項目部于2018年7月正式成立，我院以EPC模式進(jìn)行總包，舊橋機(jī)的拆除工作于2019年4月正式開始，新橋機(jī)的安裝于2019年5月底完成。

2 改造原因

富春江水電站的兩臺250/50 T雙梁橋式起重機(jī)是主力起重設(shè)備，負(fù)責(zé)主廠房內(nèi)機(jī)組、設(shè)備檢修時物品吊運(yùn)的相關(guān)工作。在富春江水電站機(jī)組改造工程中暴露出如下問題：

（1）橋機(jī)主要鋼結(jié)構(gòu)材料為A3鋼，不滿足現(xiàn)行的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；

（2）主梁超聲波焊縫多處檢測不合格；

（3）橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)老化，在跨中位置，吊載額定起重量的載荷，起重機(jī)跨中上蓋板所受應(yīng)力超過許用應(yīng)力；

（4）大車車輪表面出現(xiàn)嚴(yán)重的龜裂和淬硬層點(diǎn)蝕剝落；

（5）起升制動輪已多處出現(xiàn)點(diǎn)蝕和表面受熱現(xiàn)象；

（6）大車軌道多處松動，軌道混凝土基礎(chǔ)開裂，緊固壓板螺栓的方式已無法壓緊軌道。

3 新橋機(jī)方案研究

結(jié)合橋機(jī)的運(yùn)行情況、廠房布置尺寸及對橋機(jī)改造施工方案的可行性分析，研究對歐式起重機(jī)方案（方案1）、常規(guī)中式起重機(jī)方案（方案2）和中歐結(jié)合方案（方案3）3種方案進(jìn)行技術(shù)方案比選。

歐式起重機(jī)傳動形式與國產(chǎn)中式起重機(jī)而言并沒有本質(zhì)區(qū)別，只是基于歐洲獨(dú)特的設(shè)計理念和較為先進(jìn)的生產(chǎn)制造工藝，使整個起重機(jī)的結(jié)構(gòu)比較緊湊，運(yùn)行比較平穩(wěn)。相比較中式起重機(jī)來說，歐式起重機(jī)的幾大技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）結(jié)構(gòu)尺寸較小。歐式起重機(jī)以機(jī)構(gòu)壓縮為主要設(shè)計理念，依托于歐洲先進(jìn)的材料制造水平與加工工藝，在相同設(shè)計強(qiáng)度的條件下，歐式起重機(jī)尺寸必然小于國產(chǎn)起重機(jī)。因此其結(jié)構(gòu)尺寸往往比中式起重機(jī)更小，重量也更輕，同時使得起重機(jī)的有效工作空間增大，靠邊距離縮減，可以有效提升廠房的有效工作空間，減少廠房的鋼結(jié)構(gòu)投資。

（2）歐式起重機(jī)多采用轉(zhuǎn)速為2 000 r/min～3 000 r/min小功率高速電機(jī)，這樣就可以通過降低電機(jī)機(jī)座號及制動器功率方式，來減少運(yùn)行能耗。再搭配全變頻控制和優(yōu)秀的制造加工技術(shù)，可以有效提升整體運(yùn)行的平穩(wěn)性。

（3）對工況要求嚴(yán)格，絕不允許超負(fù)荷工作。歐式起重機(jī)工況單一，在耐用度上稍遜于中式起重機(jī)。同時因為其結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，體積小，重量輕，因此運(yùn)行速度也相對較低。

（4）選購和維護(hù)成本高。歐洲設(shè)備制造精良，且普遍受知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，因此成品價格相對較高。歐洲著名的起重機(jī)制造商，其起重機(jī)的電機(jī)、減速器、制動器等零部件，均采用公司生產(chǎn)的專用的配套件，因此后期維護(hù)更換成本相對較高。

（5）目前國內(nèi)起重機(jī)企業(yè)也嘗試生產(chǎn)制作了歐式起重機(jī)，雖然是基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行仿制的，但現(xiàn)階段我國材料制造技術(shù)、加工工藝水準(zhǔn)仍和歐洲生產(chǎn)技術(shù)水平存在一定差距，尚不滿足制作需求。因此國內(nèi)企業(yè)在追求極限壓縮機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計理念下，不僅沒能有效發(fā)揮歐式起重機(jī)的特點(diǎn)，同時也沒能有效保留中式起重機(jī)牢固耐用的特點(diǎn)。

中歐結(jié)合方案是以中式橋機(jī)主梁的設(shè)計理念為主，小車采用歐式結(jié)構(gòu)，通過預(yù)留較大安全裕度，來增加中式起重機(jī)橋架的應(yīng)變能力，加強(qiáng)其對復(fù)雜工況、沖擊荷載和動載的適應(yīng)能力，這一方案中的設(shè)備運(yùn)行動剛度好，運(yùn)行振動小，平穩(wěn)性好。同時因為主梁剛度相對較大，不易發(fā)生啃軌現(xiàn)象，對軌道及軌道梁的損傷較小，可以延長軌道裝置的使用壽命。同時設(shè)備整體更為緊湊，不僅可以降低小車高度，而且可以滿足廠房安裝尺寸要求，對吊裝也比較有利。

綜合上述，最終選用中歐結(jié)合新橋機(jī)設(shè)計方案。

4 舊橋機(jī)拆除方案研究

結(jié)合原始圖紙資料可知，舊橋機(jī)是中式起重機(jī)，尺寸偏大，設(shè)備最頂部與廠房的空間極為狹小，拆除難度大。

結(jié)合考慮對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響，以及經(jīng)濟(jì)適用性，在設(shè)計拆除和安裝方案時，均以不破壞廠房房頂為基本原則。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)舊橋機(jī)拆除難點(diǎn)如下：

（1）原始資料不全，缺少對大件重量的記載，估算工作較為困難；

（2）廠房上部空間較小，起吊高度空間受限，卷筒裝置拆除困難；

（3）大梁過長，廠房巖錨梁寬度方向受限，使拆除工作遇到了一定困難，

4.1 拆除流程

拆除流程如圖1所示：

圖1 舊橋機(jī)拆除步驟

4.2 拆除難點(diǎn)及解決方案研究

4.2.1 舊橋機(jī)卷筒

一般來說，副小車及零部件的拆除工作不存在難點(diǎn)，均屬于常規(guī)操作范圍。但是在拆除主小車卷筒裝置過程中，研究發(fā)現(xiàn)，廠房吊裝空間極為有限，如果利用在卷筒上焊接吊耳的方式來吊裝主小車，在升到最高處時，空間明顯不夠，無法實(shí)施起吊；此外研究發(fā)現(xiàn)，由于原始資料不完全，沒有記錄卷筒的實(shí)際重量，因此只能進(jìn)行簡單估測，最后實(shí)際重量比預(yù)估重量重約23 t，1臺50 t汽車無法完成起吊工作，早期設(shè)計的汽車吊方案不可行。結(jié)合上述分析考慮，采取以下措施：

（1）首先拆除并吊裝卷筒裝置兩側(cè)軸承座以及減速器，其次拆除并吊裝卷筒和開式齒輪。在這一過程中，一方面受限于卷筒尺寸，另一方面受制于廠房上方空間，使吊裝工作出現(xiàn)了困難。為此，研究設(shè)計在兩個大梁內(nèi)側(cè)割除一個缺口，在吊裝卷筒時，可以在卷筒下沉?xí)r，將其擱置于缺口上。這一措施不僅有利于減少空間占用，同時也為吊裝提供了新的解決思路。

（2）而在卷筒上焊接吊耳的方式不能解決吊裝空間不足的問題，在卷筒靠近兩端的上部割除一部分缺口，將卷筒底部展示出來，并在卷筒底部完成吊耳焊接工作，有效解決吊裝空間緊迫的問題。

（3）針對原始資料缺失的問題，可以根據(jù)已割除部分卷筒的厚度來重新估算其重量，同時將原始設(shè)計方案中的1臺50 t吊車調(diào)整為2臺50 t吊車，確保足夠大的安全余量，進(jìn)一步增添施工保障。卷筒估算方法如下：

具體步驟：①拆除卷筒裝置兩端的軸承座及減速器；②在大梁兩側(cè)割除缺口，降低卷筒裝置位置，保證吊裝空間；③在卷筒兩端上側(cè)開孔，完成卷筒底部吊耳焊接工作；④使用兩臺50 t吊車起吊卷筒，吊點(diǎn)與卷筒內(nèi)部吊耳連接；⑤進(jìn)行吊裝，同時根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整和梳理，直至卷筒裝置落地。

圖2 卷筒兩端開孔并進(jìn)行穿銷

4.2.2 舊橋機(jī)大梁

廠房空間有限，由此導(dǎo)致舊橋機(jī)大梁拆除工作也遇到了一定困難，經(jīng)研究采取如下措施進(jìn)行完善：

（1）拆除大梁兩側(cè)的端梁，在割除端梁時，要保證其割除長度盡量偏大，避免因為大梁兩端的對角線過長，影響吊裝工作的開展；

（2）將大梁與下方的行走機(jī)構(gòu)分離，將二者分開吊裝；

（3）在分離后，加固大車行走機(jī)構(gòu)，以防傾覆；

（4）估算大梁重量，約為25 t，使用兩臺50 t汽車完成吊裝工作。

圖3 舊橋機(jī)大梁吊裝

拆除方案中采用割除卷筒兩側(cè)上部缺口并在其底部焊接吊耳方法是一種較為新穎的拆除安裝手段，利用大梁兩側(cè)的割除缺口可以有效解決吊車的吊裝空間難題，同時實(shí)現(xiàn)成功吊裝。第一臺橋機(jī)主梁的成功拆除及吊裝，不僅為第二臺橋機(jī)的相關(guān)工作提供有效的技術(shù)經(jīng)驗，也為后續(xù)電站改造，包括廠房內(nèi)橋機(jī)大梁的吊裝提供了寶貴的經(jīng)驗，同時對于受限于廠房空間的拆除安裝難題提供了指導(dǎo)。

4.3 新橋機(jī)安裝難點(diǎn)及解決方案研究

新橋機(jī)的吊裝難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）與舊橋機(jī)拆裝對比，新橋機(jī)無法隨意割除，只能根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際尺寸選擇合理的吊裝方案；

（2）大梁長度過長，長度超出廠房巖錨梁寬度，吊裝難度較大；

（3）小車采用歐式結(jié)構(gòu)并采用整體吊裝，吊耳設(shè)置位置較為困難。

4.3.1 新橋機(jī)大梁的吊裝

相對于舊橋機(jī)大梁來說，新大梁無法隨意割除，且對角線過長，因此在考慮安裝方便性的基礎(chǔ)上，研究決定大梁下方行走機(jī)構(gòu)采用一并起吊，最終形成專項方案如下：

（1）計算新大梁和下方的行走機(jī)構(gòu)重量，估算約為30 t左右，同時結(jié)合新大梁上對預(yù)留吊耳尺寸的考量，設(shè)計使用兩臺汽車吊來完成吊裝工作，其中一臺 80 t，另一臺為 50 t；

（2）大梁吊裝將采用高低吊的形式，研究計算得出吊裝原始角度約為32°，由此可知兩臺汽車吊吊點(diǎn)受力情況，表明其可以滿足起重機(jī)特性曲線要求。

（3）在吊裝過程中，如果出現(xiàn)一側(cè)抬吊高度高于軌道梁的情況時，需要聯(lián)合兩臺汽車吊立刻進(jìn)行共同調(diào)整，令抬高的一側(cè)向上游進(jìn)行側(cè)移動，同時要結(jié)合廠房空間估算移動距離，避免吊裝大梁時和廠房空間產(chǎn)生沖突。

（4）當(dāng)大梁基本上處于水平狀態(tài)時，聯(lián)合兩臺汽車吊共同調(diào)整，將車輪置于軌道上，最后完成整個大梁的吊裝工程。

圖4 新橋機(jī)大梁高低抬吊

圖5 臨時吊耳的焊接

4.3.2 新橋機(jī)主小車的吊裝

新橋機(jī)主小車是一種結(jié)構(gòu)緊湊的歐式小車，不設(shè)置專門的小車架，因此在吊裝方面也存在一定問題。為了保證安裝精度，減少高空作業(yè)的安裝作業(yè)量，應(yīng)采取整體吊裝，但是主小車重量較重，約為35 t,吊裝問題表現(xiàn)如下：

（1）由于電動機(jī)座比較單薄，如果將吊點(diǎn)單獨(dú)設(shè)置在電動機(jī)座，會引起電動機(jī)座變形，同時使計算值超出規(guī)范要求；

（2）由于吊點(diǎn)設(shè)置在電動機(jī)座會引起上下游側(cè)的車輪偏差，會產(chǎn)生車輪啃軌的隱患。

圖6 專用吊具與吊耳的安裝

基于上述考慮，為新主小車吊裝設(shè)計了兩套專用吊具，在主小車四個車輪端梁兩側(cè)焊接臨時吊耳，臨時吊耳與專用吊具采用銷軸連接，從而確保起吊時受力全部作用在專用吊具上，不影響主小車的整體安裝精度，同時避免主小車電動機(jī)座受力。采用專用吊具不僅可以保證小車整體安裝精度、同時可以增加汽車吊的起吊高度，提高汽車吊吊裝成功率。實(shí)際運(yùn)用結(jié)果表明，采用專用吊具設(shè)計對吊裝成功與否有重要影響。

新橋機(jī)大梁及主小車的成功吊裝，對于主廠房內(nèi)橋機(jī)改造工程新設(shè)備的吊裝提出了新的解決思路和方法。目前國內(nèi)大多數(shù)橋機(jī)的主小車均采用歐式結(jié)構(gòu)，因此采用專用吊具的設(shè)計也是對主小車吊裝方案的一種創(chuàng)新，不僅解決了歐式主小車整體吊裝無法設(shè)置吊點(diǎn)的問題，而且很好的避免了歐式小車無小車架情況下電動機(jī)座直接受力的問題，最關(guān)鍵的是可以在減少現(xiàn)場高空作業(yè)的安裝工程量的同時，保證安裝精度。

5 結(jié)論

富春江水電站主廠房橋機(jī)改造工程拆除和吊裝的成功，為后續(xù)電站廠房內(nèi)橋機(jī)改造提供了有效的指導(dǎo)。改造工程具有邊界條件復(fù)雜、安裝空間局限以及高空作業(yè)面多等特點(diǎn)，而富春江水電站廠房橋機(jī)改造工程拆裝過程中，創(chuàng)新性的提出卷筒割除內(nèi)部設(shè)置吊耳、新橋機(jī)大梁在廠房空間有限情況下，采用高低抬吊以及主小車吊裝采用專用吊具等一系列解決思路及方法，成為主廠房橋機(jī)改造的一大亮點(diǎn)。

目前，新橋機(jī)設(shè)備正在調(diào)試運(yùn)行，拆除和吊裝的成功為新橋機(jī)的調(diào)試贏得了時間，對電站安全運(yùn)行、穩(wěn)健發(fā)展有重要的指導(dǎo)作用，同時也是為其他拆裝改造項目工程提供了指導(dǎo)，為設(shè)備更新改造提供了新的思考范式，是對我國企業(yè)工程改造問題的創(chuàng)新，其技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)具有十分重要的啟示和示范意義。