烏東德右岸地下電站85萬(wàn)kW機(jī)組座環(huán)安裝技術(shù)研究

焦 雄，胡啟斌，呂毓敏，馬宏煜

(1.陜西引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710010；2.中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司，陜西 西安 710100)

水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)采用安裝間組焊整體吊裝和傳統(tǒng)分瓣吊入機(jī)坑的安裝方案相比，具有快捷，有利于質(zhì)量控制等優(yōu)點(diǎn)，為了獲得較優(yōu)的座環(huán)安裝方案，特別是針對(duì)一些施工空間有限、環(huán)境惡劣、交叉施工干擾大的地下廠房中選用較多。座環(huán)作為水輪發(fā)電機(jī)組的主要部件，其安裝質(zhì)量將影響水輪發(fā)電機(jī)組整體安裝質(zhì)量和后續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

目前，隨著我國(guó)水電裝備制造能力不斷提高和關(guān)鍵技術(shù)的突破，水電機(jī)組單機(jī)容量已進(jìn)入百萬(wàn)千瓦時(shí)代。許多學(xué)者對(duì)水電機(jī)組座環(huán)安裝和質(zhì)量控制進(jìn)行了研究，望運(yùn)東、林宏，望喬磊[1]分析研究了白鶴灘水電站座環(huán)整體安裝工藝，總結(jié)了整體安裝方案的難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施；賈棟林[2]分析研究了兩河口水電站水輪機(jī)座環(huán)組焊施工工藝，總結(jié)了座環(huán)組裝、焊接質(zhì)量控制關(guān)鍵；郭明星，王志勇[3]分析研究了烏東德水電站左岸85萬(wàn)kW機(jī)組座環(huán)吊裝專項(xiàng)安全技術(shù)措施，提出了一套安全、快捷的吊裝方案。

本文以烏東德右岸地下電站機(jī)組座環(huán)安裝為例，通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)場(chǎng)施工條件、座環(huán)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量控制等方面的因素，研究了巨型水電機(jī)組座環(huán)安裝方案、具體的操作方法和安裝過(guò)程控制的重難點(diǎn)，快速、安全的進(jìn)行了座環(huán)的安裝工作，確保了座環(huán)在有限環(huán)境條件下保質(zhì)保量、快速施工。

1 概述

金沙江烏東德左、右岸地下電站各安裝6臺(tái)單機(jī)容量85萬(wàn) kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 020萬(wàn) kW，多年平均發(fā)電量389.3億 kW·h，正常蓄水位975.0 m，總庫(kù)容74.3億 m3。

右岸地下電站水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)由4瓣組成，單瓣最大重量110 t，總重量約385 t，現(xiàn)場(chǎng)用螺栓及定位銷釘把合組圓后進(jìn)行組圓焊接，組裝后最大外形尺寸14 700×4 200 mm，最大內(nèi)徑11 730 mm，上、下環(huán)板板厚分別為270 mm/260 mm，采用材質(zhì)為S355J2N抗撕裂鋼材制造。固定導(dǎo)葉24片，導(dǎo)葉高度2 044 mm，采用材質(zhì)為鍛25MnSX鋼材制造。該機(jī)組座環(huán)具有外形尺寸大、板材厚度大、重量大，分瓣較多，組合焊縫尺寸大，焊接材料填充量大，現(xiàn)場(chǎng)組焊及變形量控制難度大等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 座環(huán)結(jié)構(gòu)圖

2 整體吊裝方案的提出

根據(jù)國(guó)內(nèi)大中型水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)安裝成功經(jīng)驗(yàn)，座環(huán)安裝有兩種方案，一種是將分瓣座環(huán)依次吊入機(jī)坑，在機(jī)坑組圓焊接的安裝方案。另一種是在安裝間組圓焊接后，采用橋機(jī)整體吊入機(jī)坑的方案。為了適應(yīng)烏東德右岸地下廠房現(xiàn)場(chǎng)施工條件，獲得既滿足機(jī)組座環(huán)安裝質(zhì)量、安全、進(jìn)度要求，又不能對(duì)土建施工有較大影響的座環(huán)安裝方案。經(jīng)過(guò)比選，最終選擇了有利于座環(huán)質(zhì)量控制，節(jié)省工期，保證施工安全的安裝間組焊整體吊裝方案。

3 方案比選

3.1 分瓣吊入機(jī)坑組焊方案

等座環(huán)支墩混凝土澆筑完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，基礎(chǔ)環(huán)和座環(huán)基礎(chǔ)鋼支墩安裝驗(yàn)收合格后，利用主廠房160t/160t小橋機(jī)將分瓣座環(huán)依次吊入機(jī)坑，在機(jī)坑內(nèi)按照設(shè)計(jì)圖紙及規(guī)范要求完成座環(huán)安裝位置、高程，上下環(huán)板水平度、圓度、同軸度調(diào)整，以及組圓、組合焊縫焊接、檢測(cè)等工作。

施工期間，大量組合焊縫均在機(jī)坑內(nèi)完成，施工周期較長(zhǎng)，組圓焊接作業(yè)環(huán)境較差，不利于座環(huán)焊接質(zhì)量控制，同時(shí)，施工期間與其它機(jī)電埋件安裝、土建等其他專業(yè)同時(shí)施工相互干擾，安全管理難度較大，且施工場(chǎng)地狹小，座環(huán)施工設(shè)備布置空間緊張，施工作業(yè)排架、平臺(tái)搭設(shè)需重復(fù)搭設(shè)，工作量大。

3.2 安裝間組焊整體吊裝方案

安裝間組焊整體吊裝的方案，主要是將座環(huán)組圓、上下環(huán)板水平度、圓度、同軸度調(diào)整，以及組合焊縫焊接、檢測(cè)等工作提前在安裝間組焊工位上進(jìn)行，座環(huán)組焊完成，各項(xiàng)尺寸檢測(cè)合格后，最后利用主廠房1 300 t大橋機(jī)整體吊入機(jī)坑。

座環(huán)安裝間組焊期間，可與基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)支墩混凝土、其它機(jī)電埋件同步施工，減少了各專業(yè)間相互施工干擾，節(jié)約直線工期，同時(shí)，組圓和大量組合焊縫均在安裝間完成，施工環(huán)境較好，場(chǎng)地較寬闊，有利于座環(huán)焊接質(zhì)量控制和施工設(shè)備布置，且施工平臺(tái)可重復(fù)使用，減少了施工成本。但是，該方案需要配備噸位更大的吊具，占用安裝間較大空間[4]。

4 座環(huán)組裝步驟

4.1 分瓣組圓

分瓣座環(huán)運(yùn)輸至主安裝間后，將座環(huán)各組合面焊縫坡口及周邊50 mm圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分及保護(hù)性油漆打磨清理干凈，露出金屬光澤，并采用PT進(jìn)行表面探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理合格。利用主廠房160t/160t橋機(jī)上、下游吊鉤相互配合依次按照B-C-D-A順序?qū)⒎职曜h(huán)在空中翻身后，根據(jù)圖紙和制造廠內(nèi)標(biāo)記的位置、方向，將座環(huán)置于主安裝場(chǎng)預(yù)先安裝調(diào)整好的鋼支墩上，然后，利用設(shè)置在座環(huán)分瓣面底部的千斤頂、設(shè)置在分瓣面的拉緊器，并在橋機(jī)的配合下完成座環(huán)上下環(huán)板水平度、圓度、同軸度的調(diào)整，并確保與標(biāo)記的控制線對(duì)正，穿入擰緊定位螺栓及定位銷釘。座環(huán)分瓣組圓完成，采用水準(zhǔn)儀、內(nèi)徑千分尺、鋼琴線求心器等測(cè)量工具對(duì)座環(huán)上下環(huán)板圓度、水平度、同軸度、組合縫錯(cuò)牙等指標(biāo)再次進(jìn)行測(cè)量復(fù)核，其上下環(huán)板圓度控制在±2.5 mm范圍內(nèi)、水平偏差控制在±2 mm范圍內(nèi)、同軸度不超過(guò)2.5 mm，變形監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)施布置安裝就位后，進(jìn)行座環(huán)分瓣組合焊縫的焊接工作。

4.2 座環(huán)焊接

(1)焊接溫度。環(huán)板組合焊縫、過(guò)渡段和圓筒拼接焊縫，對(duì)焊接區(qū)域(兩側(cè)各大于100 mm范圍)采用履帶式陶瓷電加熱板進(jìn)行局部預(yù)熱，環(huán)板預(yù)熱溫度為120℃～150℃，過(guò)渡段焊接預(yù)熱溫度為≥150℃，圓筒預(yù)熱溫度為≥80℃，導(dǎo)流環(huán)預(yù)熱溫度為120～150℃。過(guò)渡段相關(guān)焊縫焊接過(guò)程在應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度≤175℃，其它焊縫層間溫度≤250℃，焊接操作宜連續(xù)完成，若中途停焊必須采取保溫措施，恢復(fù)施焊時(shí)應(yīng)達(dá)到預(yù)熱溫度要求。環(huán)板對(duì)接焊縫和過(guò)渡段相關(guān)焊縫焊后應(yīng)進(jìn)行后熱200℃～250℃，持續(xù)4 h[5]。

(2)焊接材料及焊接參數(shù)。座環(huán)組焊涉及的焊條有E7015和E9015兩種規(guī)格，座環(huán)環(huán)板、圓筒及導(dǎo)流環(huán)焊接采用E7015焊條，過(guò)渡板焊接采用E9015焊條，并按照焊條使用說(shuō)明書(shū)要求對(duì)焊條進(jìn)行350℃～400℃烘烤，且不低于2 h。兩種焊條焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

(3)焊接方法?，F(xiàn)場(chǎng)焊接采用對(duì)稱、多層多道、短弧、窄道、分段退步焊條手工電弧焊，每道焊道寬度不允許超過(guò)3倍焊條直徑，多層多道焊時(shí)，每個(gè)接頭之間必須錯(cuò)開(kāi)30～50 mm，每焊一道，清渣一次并作檢查，如發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)清除、修補(bǔ)再作檢查，不允許帶缺陷進(jìn)行下一步操作，除打底3層和蓋面層外，其余每焊一層均要求采用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊振動(dòng)消應(yīng)處理。

表1 E7015焊接工藝參數(shù)表

表2 E9015焊接工藝參數(shù)表

(4)定位焊。定位焊焊條牌號(hào)和使用要求與正式焊縫焊接相同，并要求其焊角不小于8 mm，長(zhǎng)度30 mm，間隔100 mm，且應(yīng)焊接牢固，無(wú)缺陷。

(5)焊縫坡口型式。該機(jī)組座環(huán)上下環(huán)板組合焊縫坡口形式為對(duì)稱X型，角度24°，鈍邊長(zhǎng)度50 mm，高度10 mm。

(6)焊接順序。座環(huán)上下環(huán)板對(duì)接焊縫→對(duì)稱焊接圓筒拼接焊縫→蝸殼過(guò)渡段焊接→導(dǎo)流環(huán)焊接。

(7)正式焊接。座環(huán)上下環(huán)板8條組合焊縫，由8名焊工同時(shí)對(duì)稱由焊縫中心向兩側(cè)分段退步施焊。焊接過(guò)程中，首先焊接上下環(huán)板平焊面，并按照分段、對(duì)稱、多層多道、窄道焊的方法焊至25～30 mm厚度時(shí)，再對(duì)稱焊接上下環(huán)板仰焊縫(背面)，并同時(shí)由焊縫中心向兩側(cè)退步施焊，焊接6～8層約25～30 mm。接著按正反兩面對(duì)稱交替焊接完成。在正反面焊縫對(duì)稱交替焊接時(shí)，應(yīng)結(jié)合座環(huán)組焊變形檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整焊接位置、方向和參數(shù)，以保證座環(huán)圓度、環(huán)板水平度、同軸度等質(zhì)量指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 變形監(jiān)控

座環(huán)在組裝焊接過(guò)程中，須全程對(duì)上下環(huán)板精加工平面水平度、精加工立面圓度、同軸度和組合焊縫收縮量進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

座環(huán)在安裝間組拼完成，上下環(huán)板水平度、圓度、同軸度調(diào)整合格，將組合焊縫定位銷釘把合螺栓擰緊后，在座環(huán)上下環(huán)板精加工立面和平面均布設(shè)置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，做好標(biāo)記；在組合焊縫兩側(cè)各裝設(shè)一根測(cè)量柱，并測(cè)量記錄原始距離。利用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)上下環(huán)板平面水平度；利用鋼琴線求心器和內(nèi)徑千分尺監(jiān)測(cè)上下環(huán)板立面圓度、同軸度；利用測(cè)量柱監(jiān)測(cè)上下環(huán)板組合焊縫收縮量。在焊接過(guò)程中，監(jiān)測(cè)人員間隔一定時(shí)間觀測(cè)變形情況，并詳細(xì)記錄各位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如出現(xiàn)異常變形則應(yīng)立即調(diào)整焊接速度、順序或焊接位置，確保座環(huán)焊接過(guò)程各質(zhì)量指標(biāo)變形控制在合格范圍內(nèi)[6]。

4.4 吊具計(jì)算與校核

4.4.1 鋼絲繩長(zhǎng)度計(jì)算

座環(huán)在安裝間組焊完成后，通過(guò)計(jì)算可得到鋼絲繩最大垂直高度：

根據(jù)圖2中重心位置，取重心距圓周最長(zhǎng)點(diǎn)D，分別計(jì)算得到4根鋼絲繩繩的長(zhǎng)度：

1#鋼絲繩計(jì)算長(zhǎng)度：

同理可計(jì)算得到：2#鋼絲繩計(jì)算長(zhǎng)度L2=22.116 m，3#鋼絲繩計(jì)算長(zhǎng)度L3=21.999 m，4#鋼絲繩計(jì)算長(zhǎng)度L4=22.381 m。

H為鋼絲繩最大垂直高度，m；△X為座環(huán)重心偏離+X軸距離，300 mm；△Y為座環(huán)重心偏離+Y軸距離，250 mm；D為吊耳在下環(huán)板圓周直徑，12.8 m；α為鋼絲繩起吊角度，33.5°；L為1 300 t橋機(jī)直柄雙鉤中心距，960 mm。

圖2 座環(huán)整體吊裝示意圖

鋼絲繩利用向家壩水電站4根座環(huán)吊裝由巨力索具公司生產(chǎn)的高性能無(wú)接頭WJT96鋼絲繩圈，每根繩長(zhǎng)18 m，鋼絲繩長(zhǎng)度不足部分采用8組板厚56 mm，SX780CF高強(qiáng)鋼板特制的吊耳板和Φ80 mm，200 t卸扣銷軸與座環(huán)吊耳、鋼絲繩圈連接，滿足座環(huán)整體吊裝要求。

圖3 吊裝連接板示意圖

4.4.2 吊裝高度校核

經(jīng)查相關(guān)圖紙，吊鉤在安裝間有效起升高度H0=15.40 m，座環(huán)吊點(diǎn)以下高度H1=2.1 m，安裝間與主機(jī)間臨邊防護(hù)欄桿高H2=1.2 m，鋼絲繩最大垂直高度H=9.560 m，安裝間地面至鋼絲繩頂部最大高度H總=H1+H2+H=12.860 m。

座環(huán)在安裝間組裝支墩上可以提升高度余量H△=H0-H總=2.540 m，滿足座環(huán)整體吊裝高度要求。

4.4.3 鋼絲繩安全系數(shù)校核

查巨力索具—無(wú)接頭繩圈索具產(chǎn)品參數(shù)表，高性能無(wú)接頭WJT96鋼絲繩最小破斷拉力F0=5 141 kN，每個(gè)吊點(diǎn)鋼絲繩所受拉力：

安全系數(shù)：

式中：F為鋼絲繩所受拉力，kN；W為座環(huán)重量，385 t；F0為鋼絲繩最小破斷拉力，5 141 kN；α為鋼絲繩起吊角度，33.5°；g為重力，9.8 N/kg。

大于規(guī)范要求的安全系數(shù)6，因此，使用4根8股Φ96 mm鋼絲繩滿足該座環(huán)整體吊裝要求。

5 重難點(diǎn)分析

(1)環(huán)板組合焊縫焊接質(zhì)量控制。對(duì)于座環(huán)上下環(huán)板厚板焊接一定要按照對(duì)稱、多層多道、短弧、窄道、分段退步的方法進(jìn)行焊接。為保證焊縫焊接質(zhì)量，每焊一道，清渣檢查一次，禁止帶缺陷進(jìn)行下一步操作；每焊一層必須采用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊消應(yīng)處理，避免因焊接應(yīng)力過(guò)大，造成座環(huán)整體較大變形，同時(shí)，焊接過(guò)程中須全程保證焊縫層間溫度不超過(guò)250℃，焊后應(yīng)及時(shí)對(duì)環(huán)板對(duì)接焊縫和過(guò)渡段相關(guān)焊縫進(jìn)行后熱消氫處理。

(2)焊接變形監(jiān)控。座環(huán)在焊接過(guò)程中須嚴(yán)格對(duì)上下環(huán)板水平度、圓度、同軸度進(jìn)行變形監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)變形過(guò)大或過(guò)快時(shí)，及時(shí)改變焊接位置、方向或焊接順序，確保上述質(zhì)量指標(biāo)控制在合格范圍內(nèi)。

(3)座環(huán)整體吊裝及吊具選擇。座環(huán)整體吊裝前，必須根據(jù)座環(huán)最大重量、整體重心和橋機(jī)起吊高度，準(zhǔn)確選擇吊裝鋼絲繩型號(hào)，精確計(jì)算吊裝鋼絲繩長(zhǎng)度和安全系數(shù)，確保座環(huán)在整體吊裝過(guò)程中各吊點(diǎn)均勻受力，避免重心偏離過(guò)大，使座環(huán)不能準(zhǔn)確吊裝就位。

6 結(jié)語(yǔ)

受烏東德右岸地下廠房現(xiàn)場(chǎng)施工條件影響，為滿足座環(huán)安裝質(zhì)量控制、安全管理要求和總工期節(jié)點(diǎn)目標(biāo)要求，采用安裝間組焊整體吊裝的方案，雖然定制采購(gòu)了一套專用吊索具，增加了一定的投資，但從整個(gè)烏東德工程整體和實(shí)際應(yīng)用效果看，可承擔(dān)左右岸12臺(tái)機(jī)組座環(huán)整體吊裝的需要，在工效方面相比分瓣吊裝安裝方案還是得到了很大提升。同時(shí)，座環(huán)組焊可與廠房土建、其他機(jī)電埋件同步施工，減少了相互間施工干擾，節(jié)省了直線工期；座環(huán)組焊施工環(huán)境也得到了改善，有效提升了座環(huán)組焊工效，且更利于組焊過(guò)程質(zhì)量控制；減少了施工平臺(tái)、施工排架重復(fù)搭設(shè)成本。也為大型機(jī)組座環(huán)安全、快速施工提供了參考實(shí)例。