沖擊式水輪發電機配水環管安裝實踐與分析

幸能旺，王 孟

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

1 工程概述

以禮河為金沙江右岸支流，流域共建有4座梯級電站，以禮河四級電站（小江水力發電廠）為其中最下游一級電站，白鶴灘水庫蓄水后僅淹沒原以禮河四級水電站的尾部廠房及部分引水系統，以禮河四級電站復建工程將沿用原電站首部調節池、泄洪槽、輸水隧洞（含管橋）、調壓室等，新建引水隧洞、尾水隧洞、地下廠房、地面出線場等。以禮河四級電站復建后總裝機容量為130 MW，按其裝機容量確定為中型三等工程。

以禮河四級電站復建工程裝有4×32.5 MW沖擊式水輪發電機組，水輪機型號： CJA1581-L-185/4×15.4。額定水頭517.5 m，最大水頭542.7 m，額定流量7.23 m3/s，最小水頭，515.3 m，額定轉速500 r/min，飛逸轉速900 r/min，額定容量：32.5 MW，旋轉方向，俯視逆時針。

配水環管是沖擊式水輪機的重要過流部件，它與球閥和噴嘴連接結構形式較為復雜，與一般的鋼蝸殼有很大區別[1]，如何可靠安裝是電站安全運行的關鍵問題之一。

2 配水環管組裝

以禮河四級電站水輪機配水環管入口直徑為Φ1 250 mm，4個出口直徑為Φ638 mm，4臺機入口和出口直徑相同，每臺機配水環管總重36 000 kg，設計壓力為6.77 MPa，試驗壓力為10.2 MPa。

配水環管分3節到貨，工地焊接2條環縫后形成整體，第一節配水環管由4個基礎支撐，第二節由3個基礎支撐，第三節由4個基礎支撐。配水環管采用Q345R的鋼板焊接而成，現場由第一～三節順序組裝完成，焊縫焊接并進行探傷檢查，合格后進行水壓試驗和混凝土保壓澆筑。

配水環管平面布置如圖1所示。

圖1 配水環管平面布置圖

2.1 安裝準備

安裝準備工作是保證配水環管施工質量的關鍵步驟。根據現場尾水里襯預埋情況，首先需在尾水里襯內搭建臨時施工和測量平臺，為保證施工過程中人員的人身安全和配水環管安裝的精確度，平臺必須固定牢靠，并經相關人員檢查通過。其次安裝的機組中心和高程點通過全站儀放置在尾水里襯上，并測量出每節配水環管各岔管法蘭位置端線及中心線，做好明顯標示。最后對配水環管的支墩預埋基礎板進行復測，預埋板高程偏差不大于-5～0 mm，中心和分布位置偏差不大于10 mm，基礎板水平偏差不超過1 mm/m，檢查配水環管的尺寸是否合格，管身有無變形等情況，并對影響配水環管吊裝的鋼筋切除。

2.2 配水環管吊裝

根據機組布置情況和現場安裝條件，為保證配水環管進口法蘭和各岔管出口法蘭的安裝精度，決定最先吊裝配水環管第一節作為定位節。利用現場80 t行車吊起第一節環管，并在支墩上帶上基礎螺栓，根據廠家提供的圖紙高程初步調整基礎螺栓的高度，將配水環管平穩放置在支墩上，利用水準儀調整管節安裝高程，高程調整合格后，利用吊錘和內徑千分尺對管節的進口法蘭和岔管出口法蘭的軸線和垂直度進行調整。

要求調整進口法蘭中心高程偏差不超過±1 mm，岔管法蘭中心高程不超過0.30 mm，岔管法蘭面至轉輪節圓切點之間的切線長度偏差不超過±2 mm，法蘭的垂直度不大于0.2 mm/m。各控制點相關尺寸調整合格后固定，首先將基礎螺栓與預埋基礎板焊接在一起，其次利用預埋好的地錨，焊接保證配水環管不會偏移的支撐，初步固定。

第一節調整、加固完成后，依次吊裝第二、第三節配水環管，調整各岔管法蘭方位、高程、垂直度符合以下要求：4個岔管法蘭中心高程誤差應在±0.30 mm以內，各節間組合環縫的內表面錯牙不應大于2.0 mm。合格后在相鄰節間組合面穿入定位銷釘螺栓，將配水環管的基礎螺栓、拉緊器等工裝焊接固定牢靠，復核上述數據應滿足要求。

3 配水環管節間焊接

各管節組裝完成后，焊接前需對配水環管進行復測，合格后方可焊接。

3.1 焊接準備

焊接前焊工對焊接工藝的了解程度和準備是否充分，是保證配水環管焊接質量的重要步驟。

（1）提供與配水環管材質相同的鋼板，對施焊焊工進行焊前考試，考試合格者方可對焊接配水環管施焊。

（2）正式焊接前，在配水環管的進口法蘭和岔管法蘭的正面和側面各架設1塊百分表監測配水環管變形，檢查配水環管基礎螺栓與基礎板是否焊牢，配水環管節間定位銷釘螺栓是否全部預緊。

（3）焊前打磨：對環縫20 mm范圍內，使用不銹鋼絲輪角磨機沿著焊縫方向打磨，使環縫打磨出金屬光澤。

（4）焊前預熱：環縫預熱溫度不小于80℃，層間溫度不大于200℃；預熱區的寬度為焊縫中心線兩側各3倍板厚且不小于100 mm。預熱測量要求：當50 mm≥板厚＞12 mm時，測點位置為距坡口邊緣50 mm處，當板厚＞50 mm時，測點位置為距坡口邊緣75 mm處。

（5）依照焊條說明書，使用焊條烘干箱將焊條烘干并置于100～150℃保溫箱內存儲，隨用隨取。

3.2 環縫焊接

為應對配水環管焊接過程中的應力變形，配水環管焊縫采用多層多道多段退步焊接方式進行焊接，兩名焊工于環縫對稱面同時施焊，如圖2中所示1分段有一名焊工焊接時，6分段有一名焊工同時焊接，環縫分段和焊接順序如圖2所示。

圖2 環縫分段與焊接順序

（1）定位焊：定位焊縫長度為100～150 mm，間隔為300～400 mm，焊接兩層，焊條規格為Ф3.2 mm，焊接工藝規范見表1。

表1 配水環管工地現場焊接規范

（2）焊接過程必須使用規定的焊條焊接，焊縫堆焊除第一層和最后一層外，其余各層均需采用錘擊的方式降低焊縫殘余應力。

（3）焊接順序：首先焊接第一節和第二節節間環縫，其次焊接第二節和第三節節間環縫。

（4）焊接過程通過觀察各法蘭口百分表的數值變化，若變化超出范圍需對配水環管作調整或改變焊接位置。

（5）焊后打磨焊縫表面滿足規范要求，并按圖紙要求進行超聲波探傷和磁粉檢測。

（6）探傷合格后，切除相鄰節間的定位銷螺栓和配水環管起吊用的吊耳，按圖紙要求進行打磨，做滲透或者磁粉探傷。

（7）最后按圖紙要求對焊縫和吊耳切除部位等部位清理和防腐。

4 配水環管水壓試驗

配水環管水壓試驗的目的在于檢查配水環管的焊縫質量、消除焊接時的內應力，模擬其在靜壓狀態下的應變狀態[2]。

配水環管工地現場組焊完成并探傷合格后，進行水壓試驗。水壓試驗步驟如下：

（1）利用堵板將配水環管內側測壓管管口堵焊，堵板后期安裝中切除、打磨、探傷合格。

（2）將配水環管內部清理干凈，安裝配水環管悶頭和支撐桿，悶頭螺栓按廠家技術要求的力矩進行預緊，預緊完成后用塞尺逐一檢查悶頭與法蘭面的間隙是否符合圖紙要求。

（3）在配水環管X、Y軸4個方向，進口法蘭和各岔管法蘭口架設足夠百分表檢測變形情況。

（4）配水環管打壓工具組裝檢查合格。

配水環管充水排氣完成后，便開始水壓試驗。水壓試驗時，升壓和降壓速度應控制在0.1 MPa/min以內，升壓至3 MPa，保壓15 min，詳細記錄百分表變化情況，檢查配水環管各部位無滲漏情況方可繼續升壓；壓力升至分別5 MPa、7 MPa、9 MPa，均保壓10 min，同樣詳細記錄百分表變化情況，檢查配水環管各部位無滲漏情況繼續升壓；當壓力升至10.2 MPa時，保壓2 h，記錄備份表變化情況，檢查配水環管各部位無滲漏情況后，開始降壓，壓力降至6.77 MPa，保壓4 h，檢查無異常后繼續降壓，壓力降至4.55 MPa，進行保壓混凝土澆筑。水壓試驗曲線圖如圖3所示。

圖3 水壓試驗曲線圖

5 保壓混凝土澆筑

水壓試驗結束后，首先要全面檢查配水環管加固情況，將基礎螺栓和拉緊器預緊后焊接固定，并在進口和各岔管法蘭悶頭水平和徑向位置架設1塊百分表，在混凝土澆筑過程中隨時觀察并記錄百分表變化情況，必要時根據變化情況改變混凝土澆筑順序。同時要嚴格控制混凝土的澆筑速度，防止配水環管發生漂移。當混凝土澆至配水環管腰線時，將配水環管外側焊接的臨時加強板切除，并打磨、探傷合格。

因混凝土澆筑后會逐漸放出水化熱，所以混凝土澆筑過程和澆筑后要隨時監測并記錄配水環管水壓力值，當壓力值升高或超出（4.55±0.5） MPa時應進行降壓或升壓調整。當混凝土強度達到要求后，將配水環管排空，水壓試驗結束。

6 結論

通過對以禮河四級電站復建工程32.5 MW沖擊式水輪機配水環管的組裝、焊接和水壓試驗過程的介紹，綜合分析組裝時保證配水環管精度的調整方式、焊接中應對焊接應力變形的措施和水壓試驗過程的有效把控，希望對同類型的安裝提供有益的幫助。