天池抽水蓄能電站蝸殼座環(huán)安裝工藝控制

楊恒樂(lè)，高 鑫，曹永闖，秦連樂(lè)

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽(yáng) 473000）

0 引言

天池抽水蓄能電站位于河南省南陽(yáng)市南召縣馬市坪鄉(xiāng)，共安裝4 臺(tái)單機(jī)容量為300 MW 的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，4 臺(tái)套蝸殼座環(huán)均由上海福伊特水電設(shè)備有限公司提供，蝸殼與座環(huán)首先在工廠內(nèi)焊接為整體，因運(yùn)輸尺寸限制，2 幅蝸殼瓦片（Ⅰ、Ⅱ）及蝸殼進(jìn)水段隨后需切割分塊，到工地重新拼焊。其拼裝質(zhì)量、焊接溫控及變形監(jiān)測(cè)等控制要求高，包含進(jìn)水段的蝸殼座環(huán)整體吊裝調(diào)整難度大，水壓試驗(yàn)壓力高，保壓澆筑易上浮[1]。制定并落實(shí)合理有效的全過(guò)程安裝工藝尤為重要。

1 座環(huán)結(jié)構(gòu)方案確定

1.1 結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

受限于運(yùn)輸尺寸和工地安裝條件，座環(huán)一般可按整體結(jié)構(gòu)和分瓣結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。福伊特水電推薦采用的方案如下：

1.1.1 座環(huán)整體結(jié)構(gòu)

座環(huán)由上、下環(huán)板及固定導(dǎo)葉構(gòu)成，與底環(huán)通過(guò)高強(qiáng)度把合螺栓連接，作用在座環(huán)上的頂蓋上抬力將經(jīng)由底環(huán)以及基礎(chǔ)螺栓傳遞到混凝土中。底環(huán)為半埋式，在安裝座環(huán)/蝸殼前即需安裝到位，其下部設(shè)有檢修廊道，后期可對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉下套筒進(jìn)行檢修。剖面圖如圖1 所示。

圖1 座環(huán)整體結(jié)構(gòu)剖面圖及切割方案

在蝸殼座環(huán)澆筑期間，通過(guò)調(diào)整澆筑速度和確保振搗質(zhì)量等手段，可以控制座環(huán)法蘭面變形量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，從而減少座環(huán)工地加工的工序。因運(yùn)輸尺寸限制，2 幅蝸殼瓦片（Ⅰ、Ⅱ）及蝸殼進(jìn)水段需切割分塊運(yùn)輸，到工地后重新拼焊成整體，其切割方式如圖1 所示。其中蝸殼與座環(huán)間的焊縫均在出廠前焊接完成。

1.1.2 座環(huán)分瓣結(jié)構(gòu)

座環(huán)由上、下環(huán)板、固定導(dǎo)葉和下法蘭構(gòu)成，底環(huán)直接坐在座環(huán)下法蘭上，作用在座環(huán)上的頂蓋上抬力直接通過(guò)下法蘭和基礎(chǔ)螺栓傳遞到混凝土中。底環(huán)為后裝式，在座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)加工完成后直接吊入座環(huán)內(nèi)。此結(jié)構(gòu)亦設(shè)有活動(dòng)導(dǎo)葉下套筒檢修廊道，剖面圖如圖2 所示。

座環(huán)環(huán)板分瓣面在工地焊接后會(huì)產(chǎn)生變形，因此在蝸殼座環(huán)澆筑后需對(duì)座環(huán)的各安裝配合面進(jìn)行加工方可滿足安裝要求。因運(yùn)輸尺寸限制，座環(huán)/蝸殼需分6 塊運(yùn)輸，并在工地拼焊成整體，其切割方式如圖2 所示。座環(huán)環(huán)板及座環(huán)分瓣面處的兩節(jié)蝸殼均需在現(xiàn)場(chǎng)焊接。

圖2 座環(huán)分瓣結(jié)構(gòu)剖面圖及切割方案

1.2 結(jié)構(gòu)方案確定

座環(huán)整體結(jié)構(gòu)和分瓣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，均滿足在內(nèi)水壓力、頂蓋上抬力和底環(huán)下壓力等載荷作用下的剛強(qiáng)度要求，兩種方案對(duì)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)的影響并無(wú)明顯區(qū)別，在設(shè)備制造、運(yùn)輸條件及安裝實(shí)施上的對(duì)比分析如表1 所示。

表1 兩種結(jié)構(gòu)方案影響因素分析

經(jīng)統(tǒng)籌規(guī)劃且實(shí)地調(diào)研運(yùn)輸路線后，認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸條件較好，且綜合考慮制造加工精度、現(xiàn)場(chǎng)安裝難易程度及工期安排等因素后，確定了座環(huán)整體結(jié)構(gòu)方案。

2 安裝流程及工藝控制難點(diǎn)

2.1 蝸殼拼裝焊接

2.1.1 蝸殼現(xiàn)場(chǎng)拼裝

每臺(tái)套蝸殼座環(huán)到貨后，于安裝間定子工位上完成拼裝。卸車(chē)后首先用均布的6 組鋼支墩及楔形板將其墊高，以方便施焊及水平度調(diào)整，隨后掛裝2幅蝸殼瓦片，裝配間隙需控制在4 mm 以?xún)?nèi)，過(guò)流面錯(cuò)牙不超過(guò)1.5 mm[2]，否則需使用壓碼及千斤頂?shù)冗M(jìn)行校正。瓦片固定后需在內(nèi)圓處焊接撐筋，且組合縫內(nèi)外裝配騎馬塊以減少焊接變形。拼裝完成后進(jìn)行蝸殼座環(huán)的整體調(diào)平，為正式焊接做準(zhǔn)備。

2.1.2 蝸殼組合縫焊接

（1）焊前預(yù)熱。施焊前需采用電加熱方法預(yù)熱，預(yù)熱溫度不低于80℃。預(yù)熱范圍需覆蓋從坡口邊緣起100 mm 或板厚的3 倍，測(cè)溫點(diǎn)設(shè)在加熱背面且距離坡口邊緣約50 mm 處[3]。

（2）焊接智能溫控設(shè)備的投入應(yīng)用。焊縫加熱采用履帶式加熱板配套智能溫控箱，一次輸入溫度值即可自動(dòng)完成整個(gè)熱處理控溫過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了該項(xiàng)工作的精密化與自動(dòng)化?？紤]溫度測(cè)量偏差及熱量耗散，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際溫度設(shè)定為90℃，并結(jié)合定時(shí)人工溫度抽測(cè)，確保了溫控效果，勞動(dòng)強(qiáng)度低，熱處理效果良好。

（3）焊接方法與焊材使用。焊接方法為手工電弧焊，采用多層多道、分段退焊的焊接方式。焊接順序是首先焊接瓦片與蝸殼之間環(huán)縫，隨后焊接蝶形邊橫縫，待兩者焊接完成后拼焊蝸殼進(jìn)水段。環(huán)縫采用四分區(qū)焊接，由2 名焊工同步對(duì)稱(chēng)施焊，在焊至滿足清根條件后對(duì)背縫清根并探傷，交替焊接直至焊滿整個(gè)坡口。打底、蓋面焊道采用Φ3.2 mm 焊條，填充焊道采用Φ4.0 mm 焊條。焊條在使用前需按照說(shuō)明書(shū)進(jìn)行烘焙，并在溫度降至150℃時(shí)轉(zhuǎn)入100℃～150℃的烘箱中保存。使用時(shí)，焊條必須在焊條保溫桶內(nèi)存放，隨用隨取。電焊條在烘箱外的時(shí)間不得超過(guò)4 h，否則須重新烘焙，焊條烘焙次數(shù)不得超過(guò)2 次。

（4）多重變形監(jiān)測(cè)手段的投入運(yùn)用。確保座環(huán)上、下環(huán)板水平度、圓度及同軸度是焊接品控的重點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)采用X、Y 軸四向架設(shè)共計(jì)12 塊藍(lán)牙百分表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接過(guò)程中的變形情況，直觀指導(dǎo)了過(guò)程中焊接方式、方位及順序的調(diào)整[4]。另每天定時(shí)利用高精度水準(zhǔn)儀測(cè)量環(huán)板水平度，內(nèi)徑千分尺測(cè)量圓度，多重舉措下焊接變形得以有效監(jiān)測(cè)與控制。

（5）焊后消氫及無(wú)損檢測(cè)。所有焊縫需在焊后溫度高于80℃前進(jìn)行消氫處理，消氫溫度為250℃，保溫4 h，加熱速度與冷卻速度均不得大于50℃/h。消氫后要求嚴(yán)格打磨焊縫表面焊疤及騎馬塊割除后疤痕，以滿足實(shí)施無(wú)損檢測(cè)要求。所有焊縫需進(jìn)行100%PT 及TOFD 檢查，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行TOFD 探傷的可用UT 方式代替。

2.2 蝸殼座環(huán)吊裝調(diào)整

機(jī)坑內(nèi)底環(huán)的水平和方位調(diào)整完畢，開(kāi)始實(shí)施蝸殼座環(huán)拼焊后的整體吊裝。包含進(jìn)水段的蝸殼座環(huán)重心偏移，吊裝調(diào)整難度增大。①座環(huán)水平粗調(diào)困難，較難達(dá)到理想的1 mm 內(nèi)水平度，以實(shí)現(xiàn)定位螺栓均勻“穿入”底環(huán)螺孔，其余螺栓順勢(shì)導(dǎo)入而不傷螺紋?，F(xiàn)場(chǎng)采用增設(shè)調(diào)整螺桿與導(dǎo)鏈的方法，在多次試吊調(diào)整合格后正式起吊；并且自制了螺栓保護(hù)鋼套，有效避免了過(guò)程中螺紋受損。②蝸殼座環(huán)慣性大，傳統(tǒng)的以橋機(jī)為主的調(diào)整方式動(dòng)態(tài)控制困難，難以兼顧水平度及方位，在1 號(hào)機(jī)組調(diào)整過(guò)程中出現(xiàn)了顧此失彼、循環(huán)往復(fù)的情形，調(diào)整用時(shí)成倍增加。后續(xù)機(jī)組采用高精度的PLC 同步液壓頂升裝置，在座環(huán)下法蘭面距離底環(huán)接觸面10 mm 時(shí)與橋機(jī)完成受力轉(zhuǎn)換，使120 t 的總重量分?jǐn)傇谒南蛟O(shè)置的4個(gè)同步千斤頂上，千斤頂置于底環(huán)下法蘭上部，其布置如圖3 所示。隨后精確控制四向同步降落，不僅避免了密封盤(pán)根在下落過(guò)程中被擠偏，而且較好地克服了利用橋機(jī)調(diào)整導(dǎo)致方位跑偏的頑疾，使方位及水平度調(diào)整兩者得以兼顧，調(diào)整精度高、速度快[5]。

圖3 同步液壓頂升裝置布置

2.3 蝸殼水壓試驗(yàn)與保壓澆筑

在蝸殼座環(huán)吊裝調(diào)整完成后，對(duì)稱(chēng)預(yù)緊底環(huán)與座環(huán)把合螺栓，在座環(huán)與底環(huán)同軸度、上法蘭水平度合格后安裝蝸殼支座與拉緊器，隨后按照廠家圖紙安裝打壓工裝（高壓柱塞泵組、悶頭、壓力試驗(yàn)環(huán)筒、管路及密封條等），如圖4 所示。尤其要對(duì)試驗(yàn)環(huán)筒調(diào)中心以保證其與座環(huán)間間隙分布均勻。在底環(huán)、座環(huán)上法蘭及內(nèi)圓對(duì)稱(chēng)4 個(gè)方位架設(shè)12 塊百分表用于監(jiān)測(cè)底環(huán)與座環(huán)水平度及圓度變化。在蝸殼進(jìn)口法蘭軸向及徑向架設(shè)6 塊百分表用于監(jiān)測(cè)進(jìn)口法蘭的上浮及位移情況。試驗(yàn)過(guò)程中，需嚴(yán)格按照水壓試驗(yàn)曲線執(zhí)行升壓、保壓、泄壓操作[6,7]。①務(wù)必控制壓變速率不超過(guò)0.1 MPa/min；②嚴(yán)格監(jiān)測(cè)表計(jì)，出現(xiàn)座環(huán)上法蘭及底環(huán)抗磨板平面度變形過(guò)大時(shí)，立即停止試驗(yàn)并分析處理；③密切監(jiān)視蝸殼位移及焊縫處、密封條部位的滲漏狀況，若有異常應(yīng)立即停止試驗(yàn)，泄壓后處理。水壓試驗(yàn)后對(duì)底環(huán)、座環(huán)上法蘭水平度進(jìn)行復(fù)測(cè)，隨后移交土建進(jìn)行蝸殼保壓澆筑。

圖4 蝸殼水壓試驗(yàn)工裝

為減小混凝土澆筑對(duì)蝸殼產(chǎn)生的上浮力，防止蝸殼方位偏移，天池電站蝸殼保壓澆筑采用分層分塊的方式[2]，且液態(tài)混凝土澆筑層高不得超過(guò)0.6 m，澆筑速率須嚴(yán)格低于30 cm/h。第一倉(cāng)澆筑至蝸殼腰線以下0.4 m 處，待混凝土等強(qiáng)后方可割除限制蝸殼上浮的支座與拉緊器支撐筋板，如圖3 所示；第二倉(cāng)澆至水輪機(jī)層底板。為確保蝸殼座環(huán)陰角及下環(huán)板部位澆筑密實(shí)，避免因空腔存在而產(chǎn)生應(yīng)力集中，天池電站蝸殼座環(huán)兩倉(cāng)澆筑全部完成后要求實(shí)施兩次回填灌漿。在混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后啟動(dòng)第一次自流SIKA 混凝土回填灌漿，7 d后實(shí)施第二次水泥漿補(bǔ)充回填灌漿。

混凝土澆筑時(shí)需安排專(zhuān)人監(jiān)測(cè)保壓壓力及水溫，水溫應(yīng)在11℃～25℃之間，若超限，壓力需按相應(yīng)算式進(jìn)行調(diào)整，以消除混凝土化學(xué)反應(yīng)引起的蝸殼水溫升高對(duì)蝸殼變形的影響[8,9]。在澆筑及灌漿全程需密切監(jiān)視18 塊百分表讀數(shù)變化，以此指導(dǎo)澆筑及灌漿方式、方位的調(diào)整。兩次灌漿全部完成后，方可進(jìn)行蝸殼泄壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

座環(huán)選用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需進(jìn)行二次加工，充分利用了制造廠加工精度優(yōu)勢(shì)，消解了后期風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)場(chǎng)后于安裝間完成蝸殼瓦片及進(jìn)水段的拼焊，焊接智能溫控設(shè)備和多重變形監(jiān)測(cè)手段的投入，有效減少了焊接變形，提高了焊接質(zhì)量。創(chuàng)新使用同步液壓千斤頂技術(shù)調(diào)整蝸殼座環(huán)水平與方位，較好解決了蝸殼座環(huán)慣性大，橋機(jī)調(diào)整動(dòng)態(tài)控制困難的問(wèn)題。嚴(yán)格落實(shí)水壓試驗(yàn)及保壓澆筑方案，堅(jiān)持進(jìn)行兩次回填灌漿，天池抽水蓄能電站4 臺(tái)機(jī)座環(huán)水平度均控制于0.15 mm 以?xún)?nèi)，且檢查陰角及下環(huán)板部位澆筑密實(shí)，空腔率低。實(shí)踐證明天池抽水蓄能電站蝸殼座環(huán)安裝全過(guò)程工藝控制效果良好，可供同類(lèi)電站借鑒。