天池抽水蓄能電站蝸殼座環安裝工藝控制

楊恒樂，高 鑫，曹永闖，秦連樂

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000）

0 引言

天池抽水蓄能電站位于河南省南陽市南召縣馬市坪鄉，共安裝4 臺單機容量為300 MW 的單級立軸混流可逆式水泵水輪發電電動機組，4 臺套蝸殼座環均由上海福伊特水電設備有限公司提供，蝸殼與座環首先在工廠內焊接為整體，因運輸尺寸限制，2 幅蝸殼瓦片（Ⅰ、Ⅱ）及蝸殼進水段隨后需切割分塊，到工地重新拼焊。其拼裝質量、焊接溫控及變形監測等控制要求高，包含進水段的蝸殼座環整體吊裝調整難度大，水壓試驗壓力高，保壓澆筑易上浮[1]。制定并落實合理有效的全過程安裝工藝尤為重要。

1 座環結構方案確定

1.1 結構方案對比

受限于運輸尺寸和工地安裝條件，座環一般可按整體結構和分瓣結構進行設計。福伊特水電推薦采用的方案如下：

1.1.1 座環整體結構

座環由上、下環板及固定導葉構成，與底環通過高強度把合螺栓連接，作用在座環上的頂蓋上抬力將經由底環以及基礎螺栓傳遞到混凝土中。底環為半埋式，在安裝座環/蝸殼前即需安裝到位，其下部設有檢修廊道，后期可對活動導葉下套筒進行檢修。剖面圖如圖1 所示。

圖1 座環整體結構剖面圖及切割方案

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

1.1.2 座環分瓣結構

座環由上、下環板、固定導葉和下法蘭構成，底環直接坐在座環下法蘭上，作用在座環上的頂蓋上抬力直接通過下法蘭和基礎螺栓傳遞到混凝土中。底環為后裝式，在座環現場加工完成后直接吊入座環內。此結構亦設有活動導葉下套筒檢修廊道，剖面圖如圖2 所示。

座環環板分瓣面在工地焊接后會產生變形，因此在蝸殼座環澆筑后需對座環的各安裝配合面進行加工方可滿足安裝要求。因運輸尺寸限制，座環/蝸殼需分6 塊運輸，并在工地拼焊成整體，其切割方式如圖2 所示。座環環板及座環分瓣面處的兩節蝸殼均需在現場焊接。

圖2 座環分瓣結構剖面圖及切割方案

1.2 結構方案確定

座環整體結構和分瓣結構的設計，均滿足在內水壓力、頂蓋上抬力和底環下壓力等載荷作用下的剛強度要求，兩種方案對機組運行維護的影響并無明顯區別，在設備制造、運輸條件及安裝實施上的對比分析如表1 所示。

表1 兩種結構方案影響因素分析

經統籌規劃且實地調研運輸路線后，認為現場運輸條件較好，且綜合考慮制造加工精度、現場安裝難易程度及工期安排等因素后，確定了座環整體結構方案。

2 安裝流程及工藝控制難點

2.1 蝸殼拼裝焊接

2.1.1 蝸殼現場拼裝

每臺套蝸殼座環到貨后，于安裝間定子工位上完成拼裝。卸車后首先用均布的6 組鋼支墩及楔形板將其墊高，以方便施焊及水平度調整，隨后掛裝2幅蝸殼瓦片，裝配間隙需控制在4 mm 以內，過流面錯牙不超過1.5 mm[2]，否則需使用壓碼及千斤頂等進行校正。瓦片固定后需在內圓處焊接撐筋，且組合縫內外裝配騎馬塊以減少焊接變形。拼裝完成后進行蝸殼座環的整體調平，為正式焊接做準備。

2.1.2 蝸殼組合縫焊接

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

（2）焊接智能溫控設備的投入應用。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完成整個熱處理控溫過程，實現了該項工作的精密化與自動化。考慮溫度測量偏差及熱量耗散，現場實際溫度設定為90℃，并結合定時人工溫度抽測，確保了溫控效果，勞動強度低，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縫，隨后焊接蝶形邊橫縫，待兩者焊接完成后拼焊蝸殼進水段。環縫采用四分區焊接，由2 名焊工同步對稱施焊，在焊至滿足清根條件后對背縫清根并探傷，交替焊接直至焊滿整個坡口。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明書進行烘焙，并在溫度降至150℃時轉入100℃～150℃的烘箱中保存。使用時，焊條必須在焊條保溫桶內存放，隨用隨取。電焊條在烘箱外的時間不得超過4 h，否則須重新烘焙，焊條烘焙次數不得超過2 次。

（4）多重變形監測手段的投入運用。確保座環上、下環板水平度、圓度及同軸度是焊接品控的重點。現場采用X、Y 軸四向架設共計12 塊藍牙百分表實時監測焊接過程中的變形情況，直觀指導了過程中焊接方式、方位及順序的調整[4]。另每天定時利用高精度水準儀測量環板水平度，內徑千分尺測量圓度，多重舉措下焊接變形得以有效監測與控制。

（5）焊后消氫及無損檢測。所有焊縫需在焊后溫度高于80℃前進行消氫處理，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。消氫后要求嚴格打磨焊縫表面焊疤及騎馬塊割除后疤痕，以滿足實施無損檢測要求。所有焊縫需進行100%PT 及TOFD 檢查，對于無法進行TOFD 探傷的可用UT 方式代替。

2.2 蝸殼座環吊裝調整

機坑內底環的水平和方位調整完畢，開始實施蝸殼座環拼焊后的整體吊裝。包含進水段的蝸殼座環重心偏移，吊裝調整難度增大。①座環水平粗調困難，較難達到理想的1 mm 內水平度，以實現定位螺栓均勻“穿入”底環螺孔，其余螺栓順勢導入而不傷螺紋。現場采用增設調整螺桿與導鏈的方法，在多次試吊調整合格后正式起吊；并且自制了螺栓保護鋼套，有效避免了過程中螺紋受損。②蝸殼座環慣性大，傳統的以橋機為主的調整方式動態控制困難，難以兼顧水平度及方位，在1 號機組調整過程中出現了顧此失彼、循環往復的情形，調整用時成倍增加。后續機組采用高精度的PLC 同步液壓頂升裝置，在座環下法蘭面距離底環接觸面10 mm 時與橋機完成受力轉換，使120 t 的總重量分攤在四向設置的4個同步千斤頂上，千斤頂置于底環下法蘭上部，其布置如圖3 所示。隨后精確控制四向同步降落，不僅避免了密封盤根在下落過程中被擠偏，而且較好地克服了利用橋機調整導致方位跑偏的頑疾，使方位及水平度調整兩者得以兼顧，調整精度高、速度快[5]。

圖3 同步液壓頂升裝置布置

2.3 蝸殼水壓試驗與保壓澆筑

在蝸殼座環吊裝調整完成后，對稱預緊底環與座環把合螺栓，在座環與底環同軸度、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、壓力試驗環筒、管路及密封條等），如圖4 所示。尤其要對試驗環筒調中心以保證其與座環間間隙分布均勻。在底環、座環上法蘭及內圓對稱4 個方位架設12 塊百分表用于監測底環與座環水平度及圓度變化。在蝸殼進口法蘭軸向及徑向架設6 塊百分表用于監測進口法蘭的上浮及位移情況。試驗過程中，需嚴格按照水壓試驗曲線執行升壓、保壓、泄壓操作[6,7]。①務必控制壓變速率不超過0.1 MPa/min；②嚴格監測表計，出現座環上法蘭及底環抗磨板平面度變形過大時，立即停止試驗并分析處理；③密切監視蝸殼位移及焊縫處、密封條部位的滲漏狀況，若有異常應立即停止試驗，泄壓后處理。水壓試驗后對底環、座環上法蘭水平度進行復測，隨后移交土建進行蝸殼保壓澆筑。

圖4 蝸殼水壓試驗工裝

為減小混凝土澆筑對蝸殼產生的上浮力，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]，且液態混凝土澆筑層高不得超過0.6 m，澆筑速率須嚴格低于30 cm/h。第一倉澆筑至蝸殼腰線以下0.4 m 處，待混凝土等強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；第二倉澆至水輪機層底板。為確保蝸殼座環陰角及下環板部位澆筑密實，避免因空腔存在而產生應力集中，天池電站蝸殼座環兩倉澆筑全部完成后要求實施兩次回填灌漿。在混凝土強度達到70%設計強度后啟動第一次自流SIKA 混凝土回填灌漿，7 d后實施第二次水泥漿補充回填灌漿。

混凝土澆筑時需安排專人監測保壓壓力及水溫，水溫應在11℃～25℃之間，若超限，壓力需按相應算式進行調整，以消除混凝土化學反應引起的蝸殼水溫升高對蝸殼變形的影響[8,9]。在澆筑及灌漿全程需密切監視18 塊百分表讀數變化，以此指導澆筑及灌漿方式、方位的調整。兩次灌漿全部完成后，方可進行蝸殼泄壓。

3 結束語

座環選用整體結構設計，現場無需進行二次加工，充分利用了制造廠加工精度優勢，消解了后期風險。進場后于安裝間完成蝸殼瓦片及進水段的拼焊，焊接智能溫控設備和多重變形監測手段的投入，有效減少了焊接變形，提高了焊接質量。創新使用同步液壓千斤頂技術調整蝸殼座環水平與方位，較好解決了蝸殼座環慣性大，橋機調整動態控制困難的問題。嚴格落實水壓試驗及保壓澆筑方案，堅持進行兩次回填灌漿，天池抽水蓄能電站4 臺機座環水平度均控制于0.15 mm 以內，且檢查陰角及下環板部位澆筑密實，空腔率低。實踐證明天池抽水蓄能電站蝸殼座環安裝全過程工藝控制效果良好，可供同類電站借鑒。