李軍

（葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091）

大型混流式水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)組焊與安裝技術(shù)綜述

李軍

（葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司，四川 成都 610091）

大型混流式水輪機(jī)座環(huán)一般設(shè)計(jì)為平板式結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)尺寸大、質(zhì)量大、環(huán)板鋼板厚度大的特點(diǎn)。錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)座環(huán)組裝后最大外徑Φ10 558 mm，總重量為338 t；座環(huán)上/下環(huán)板板厚分別為260/220 mm，材質(zhì)選為牌號(hào)為S355J2-Z35的進(jìn)口鋼材，其結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量與環(huán)板板厚均為國內(nèi)大型水輪機(jī)座環(huán)中較大的。通過錦屏二級(jí)水電站座環(huán)的實(shí)踐、總結(jié)、研究和創(chuàng)新，重點(diǎn)論述大型混流式水輪機(jī)座環(huán)“快速”現(xiàn)場(chǎng)組焊、安裝的技術(shù)，以期對(duì)后續(xù)大型混流式水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)組焊與安裝提供借鑒。

水輪機(jī)座環(huán)；現(xiàn)場(chǎng)組焊；局部消應(yīng)力熱處理；吊裝計(jì)算校核；安裝技術(shù)；現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的巨型水電站，其地下廠房?jī)?nèi)共裝8臺(tái)高水頭（最大水頭318.800 m）的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量600 MW，總裝機(jī)容量4 800 MW。水輪機(jī)座環(huán)是承受水輪發(fā)電機(jī)組的重量、蝸殼上部分砼重量、轉(zhuǎn)輪的軸向水推力以及蝸殼的內(nèi)水壓力，并將其傳遞到基礎(chǔ)上的部件，而且它對(duì)于確定機(jī)組中心和固定導(dǎo)葉中心(機(jī)組安裝高程)，對(duì)蝸殼乃至下一階段機(jī)電設(shè)備安裝都是至關(guān)重要的。

8臺(tái)套水輪機(jī)座環(huán)由上海福伊特西門子水電設(shè)備有限公司提供，組焊和安裝均由葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司承擔(dān)。座環(huán)采用平板式結(jié)構(gòu)，由上下環(huán)板、固定導(dǎo)葉、過渡板、導(dǎo)流板、上下筒體、頂蓋連接法蘭板、轉(zhuǎn)輪支承法蘭板、座環(huán)底環(huán)板等部件組成，總重量為338 t，受運(yùn)輸條件限制，分成四瓣運(yùn)輸?shù)焦さ亍，F(xiàn)場(chǎng)用螺栓及定位銷釘把合組圓后進(jìn)行焊接，組裝后最小內(nèi)徑Φ4607mm，最大外徑Φ10558 mm，固定導(dǎo)葉23片，導(dǎo)葉高度786mm，座環(huán)總高度3543mm，固定導(dǎo)葉中心安裝高程為EL1 316.808 m。座環(huán)各組成部件的材質(zhì)種類繁多，對(duì)接焊縫大多為異種鋼材焊接，在施焊時(shí)需注意焊材的選用。

1 座環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)座環(huán)系多邊蝶形、呈不連續(xù)、不完整型過渡連接板和平板式的箱形組焊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖1所示，各部件板厚、材質(zhì)見表1。與國內(nèi)常規(guī)的座環(huán)相比較具有以下特征：

圖1 座環(huán)結(jié)構(gòu)與焊接順序圖

表1 座環(huán)各組成部件板厚、材質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

（1）座環(huán)環(huán)板板厚較厚，上/下環(huán)板板厚分別為260/220 mm，材質(zhì)選為牌號(hào)為S355J2-Z35的進(jìn)口鋼材，現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大。

（2）座環(huán)4個(gè)分瓣組合面為斜向布置，且與機(jī)組軸線成15°角；

（3）座環(huán)底部呈錐體狀，此結(jié)構(gòu)為原屬于基礎(chǔ)環(huán)的一部分結(jié)構(gòu)；

（4）為了形成水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前所必須的環(huán)量和固定導(dǎo)葉受力均勻，座環(huán)中23個(gè)固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)成七種規(guī)格形狀，均采用厚鋼板機(jī)加工型面的工藝，其中12個(gè)固定導(dǎo)葉出水邊與對(duì)應(yīng)的上筒環(huán)內(nèi)側(cè)均設(shè)有圓筒閥閥體運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的不銹鋼導(dǎo)軌；

（5）座環(huán)大舌板與蝸殼尾節(jié)在車間預(yù)裝配割后拆除，單獨(dú)運(yùn)輸至工地，現(xiàn)場(chǎng)裝焊；

（6）座環(huán)與頂蓋、底環(huán)、圓筒閥閥體、轉(zhuǎn)輪和固定止漏環(huán)等配合面在車間預(yù)留3～5 mm的加工余量，機(jī)坑里襯混凝土澆筑后，采用專用立式銑床現(xiàn)場(chǎng)加工上述配合面。

2 施工方法

2.1 座環(huán)組圓

(1)分瓣座環(huán)運(yùn)輸至主廠房安裝間后，打磨座環(huán)各組合面坡口露出金屬光澤；清掃并檢查座環(huán)組合螺栓和圓柱銷等組合件。

(2)在安裝間用廠房2×350 t橋機(jī)吊起分瓣座環(huán)，利用上、下游吊鉤配合在空中翻身后置于預(yù)先調(diào)整好的支墩上。

(3)按座環(huán)φ9 500分布圓直徑布置12個(gè)鋼支墩(支墩高度1 200 mm)，其上各布置1臺(tái)50 t的螺旋千斤頂。

(4)用2×350 t橋機(jī)依次吊起4瓣座環(huán)，先組合兩個(gè)1／4瓣后，再組合另外兩個(gè)1／4瓣，最后組合兩個(gè)1／2大瓣成整圓。四瓣座環(huán)組合完成后，用千斤頂調(diào)整座環(huán)水平度，檢查固定導(dǎo)葉進(jìn)、出口中心線水平偏差≤1 mm，并測(cè)量頂蓋連接法蘭面、底環(huán)連接法蘭面水平合格；然后架設(shè)求心器，掛鋼琴線測(cè)量座環(huán)上下鏜口、導(dǎo)軌、下止漏環(huán)配合面的圓度和同軸度合格。

2.2 座環(huán)焊接

(1)焊接技術(shù)要求

預(yù)熱溫度：環(huán)板、底環(huán)板、上下筒環(huán)、填充塊組合焊縫，預(yù)熱溫度為80～100℃；過渡板焊縫，預(yù)熱溫度為100～120℃，采用履帶式陶瓷電加熱板加熱。

焊接參數(shù)：打底層焊接，焊接電流平焊110～140 A，立焊100～120 A，橫焊100～130 A，仰焊90～120 A；填充及蓋面層焊接，焊接電流平焊150～190 A，立焊130～160 A，橫焊150～180 A，仰焊120～160 A；擺動(dòng)3～4倍焊條直徑寬度。

焊接方法：采用多層多道的焊條手工電弧焊方法，打底層及填充層每層焊道厚度應(yīng)控制在3～5 mm（立焊位焊層厚度不得超過7 mm），每道焊道寬度不超過20 mm。

焊接材料：焊條有E6015-G、E10015和E5015三種規(guī)格，環(huán)板、底環(huán)板、上下筒環(huán)、填充塊焊接采用E5015焊條，過渡板焊接采用E6015-G焊條，按說明書要求烘焙并作記錄。

焊工資格：必須取得相應(yīng)位置的操作資格證，并順利通過現(xiàn)場(chǎng)焊接技能考試，方可持證上崗。

定位焊：定位焊與正式焊接工藝要求一樣，其中上、下環(huán)板定位焊在仰焊位，每條焊縫焊4段，每段長(zhǎng)度50 mm、厚度10～15 mm、間距200 mm左右。

焊縫坡口：座環(huán)組合縫坡口型式見圖2所示。

圖2 座環(huán)組合縫坡口型式示意圖

焊接順序：對(duì)稱焊接座環(huán)上、下環(huán)板對(duì)接焊縫→對(duì)稱焊接座環(huán)底環(huán)板對(duì)接焊縫→焊接上、下筒環(huán)對(duì)接焊縫→焊接上下筒環(huán)填補(bǔ)塊焊縫→焊接座環(huán)分瓣面處過渡板焊縫→焊接導(dǎo)流環(huán)（板）焊縫，焊接順序見圖1所示。

(2)焊接工藝評(píng)定

錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)座環(huán)鋼板S355J2-Z35與S550Q為歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN10027-1中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板，有低溫沖擊韌性要求。依據(jù)ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》第Ⅸ卷《焊接及釬焊評(píng)定》、JB/T4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》、DLT 868-2004《焊接工藝評(píng)定規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)，在焊接前現(xiàn)場(chǎng)做如下項(xiàng)目的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，見表2。

表2 座環(huán)焊接試板焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)項(xiàng)目表

焊接試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3：

(3)座環(huán)正式焊接

①座環(huán)上、下環(huán)板焊接

由8名焊工同時(shí)對(duì)稱在上、下環(huán)板平焊位由內(nèi)向外分段退步施焊。焊接時(shí)先從上、下環(huán)板平焊面開始焊接，按分段、對(duì)稱、多層多道、窄道焊的方法焊接至30～35 mm厚度時(shí)，從背面清根（中間230 mm大鈍邊處不必清根）、打磨并進(jìn)行PT檢驗(yàn)。合格后每班8人對(duì)稱在上、下環(huán)板仰焊位，同時(shí)由內(nèi)向外分段退步焊接8～10層約35～40 mm。接著按正、反兩面對(duì)稱交替焊接至完成。

②座環(huán)底環(huán)板和下部錐體焊接

4人對(duì)稱在座環(huán)底環(huán)板對(duì)接焊縫，同時(shí)由內(nèi)向外分段退步施焊。

③座環(huán)上、下筒環(huán)及其填補(bǔ)塊焊接

上、下筒環(huán)：每班8名焊工分別在上下筒環(huán)4個(gè)組合面的把合塊另側(cè)焊接至坡口深度的1/2，然后氣刨清除把合塊并清根，再焊完背縫，最后焊完正逢。焊接完成后，在熱態(tài)下立即進(jìn)行焊后消氫：260～300℃×4h。

表3 座環(huán)焊接試板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表

筒環(huán)填補(bǔ)塊：先焊接填補(bǔ)塊與座環(huán)環(huán)板之間橫焊縫，然后焊接填補(bǔ)塊與筒環(huán)之間立焊縫，最后焊接填補(bǔ)塊與筒環(huán)之間橫焊縫。

④座環(huán)過渡板焊接

先內(nèi)外交替焊接填補(bǔ)塊與座環(huán)環(huán)板之間組合焊縫，蓋面焊接時(shí)注意按圖紙要求進(jìn)行表面圓弧過渡；然后焊接填補(bǔ)塊與過渡板之間對(duì)接焊縫。先焊非過流面?zhèn)戎疗驴谏疃鹊?/2，然后背面清根；焊接過流面?zhèn)戎疗驴谏疃鹊?/2；最后內(nèi)外交替焊接直至完成。過渡板填補(bǔ)塊焊接完成后，在熱態(tài)下立即進(jìn)行焊后消氫：260～300℃×4 h。

⑤座環(huán)導(dǎo)流環(huán)（板）焊接

安裝導(dǎo)流環(huán)（板）并焊接導(dǎo)流板與座環(huán)上下過渡板、上下導(dǎo)流環(huán)之間的焊縫，焊接導(dǎo)流板之間的拼焊縫。導(dǎo)流板與過渡板或蝸殼之間的焊縫為分段焊，隔100 mm跳焊。

(4)座環(huán)局部消應(yīng)力熱處理

座環(huán)上、下環(huán)板材質(zhì)為S355J2-Z35，屬進(jìn)口材料，根據(jù)廠家工藝要求，在環(huán)板焊接完成后立即進(jìn)行熱態(tài)下的局部消應(yīng)力熱處理，這樣可減少或消除焊接殘余內(nèi)應(yīng)力，改善焊層的顯微組織，并可加速焊縫中的氫向外擴(kuò)散，有效降低焊接殘余應(yīng)力峰值，從而達(dá)到避免出現(xiàn)延遲裂紋的目的。局部消應(yīng)力熱處理溫度為560℃，保溫8h，用LCD型履帶式電加熱器升溫和保溫，加熱器外型尺寸長(zhǎng)×寬為740 mm× 330 mm，額定功率10kW，工作電壓220 V，在每個(gè)環(huán)板面上各鋪設(shè)4塊，每臺(tái)套座環(huán)共鋪設(shè)32塊；在加熱板周圍采取保溫措施，以減少溫度擴(kuò)散。在升溫和降溫過程中用石棉布覆蓋，控制最大升溫速度50℃／h，最大降溫速度30℃／h。待環(huán)板消應(yīng)力熱處理完成并自然降至環(huán)境溫度，間隔24 h后無損檢測(cè)，合格后方能進(jìn)行所有其余組合縫的焊接工作。座環(huán)環(huán)板焊接溫度控制曲線見圖3所示。

(5)座環(huán)焊接檢驗(yàn)

按照?qǐng)D紙要求對(duì)所有焊縫進(jìn)行100%外觀質(zhì)量檢查，合格后100%MT；對(duì)座環(huán)上下環(huán)板、上下筒環(huán)及過渡板填補(bǔ)塊對(duì)接焊縫進(jìn)行外形尺寸、外觀質(zhì)量及表面質(zhì)量檢查，合格后100%UT檢驗(yàn)，并且焊縫清根后進(jìn)行MT檢查。

圖3 座環(huán)環(huán)板焊接溫度控制曲線圖

(6)座環(huán)焊接監(jiān)測(cè)與變形控制

焊接前，在座環(huán)中心架設(shè)水準(zhǔn)儀，以便焊接時(shí)檢測(cè)座環(huán)上、下環(huán)板的水平變化情況；同時(shí)在座環(huán)上、下環(huán)板組合縫內(nèi)外兩側(cè)打上洋沖點(diǎn)。開焊后，間隔一定時(shí)間，利用全站儀檢測(cè)座環(huán)的方位變化；用水準(zhǔn)儀在上環(huán)板上測(cè)量水平變化；在座環(huán)上平面安裝求心器并掛鋼琴線，鋼琴線與座環(huán)上鏜口尺寸同心，用內(nèi)徑千分尺測(cè)量座環(huán)上下環(huán)半徑變化值；同時(shí)每焊一層利用游標(biāo)卡尺測(cè)量環(huán)板焊縫收縮情況。以上檢測(cè)數(shù)據(jù)如果發(fā)現(xiàn)異常變化則立刻停止焊接，調(diào)整焊接速度、線能量或焊接工位，直至合格為止，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)作詳細(xì)記錄和分析。

在焊接全過程中嚴(yán)格控制焊接線能量和焊接速度；上下環(huán)板焊接自第四層開始用風(fēng)鏟在熱態(tài)下錘擊焊縫中間表面，至魚鱗紋模糊狀為止，蓋面層不錘擊，以有效控制焊接變形和焊接殘余應(yīng)力。

2.3 座環(huán)吊裝

（1）鋼絲繩選型與計(jì)算

鋼絲繩掛裝后，四吊點(diǎn)離大鉤掛繩垂直中心線最大距離為3.702 m，吊鉤寬度為0.8 m，鋼絲繩折雙后單股長(zhǎng)度8 m,由此計(jì)算可得兩鋼絲繩最大夾角為50.30°，則每股鋼絲繩受力：

取安全系數(shù)K=6，則鋼絲繩的破斷拉力為：

按照鋼絲繩的抗拉強(qiáng)度為1 770 N/mm2計(jì)算，則鋼絲繩的直徑為：

取整數(shù)查標(biāo)準(zhǔn)，選用兩對(duì)直徑Φ74 mm、單根長(zhǎng)度16 m且規(guī)格為6×61+FC1770的麻芯鋼絲繩，折雙4吊點(diǎn)單鉤整體起吊。

（2）卸扣選型與計(jì)算

因每股鋼絲繩受力457 414 N，則每個(gè)卸扣承受負(fù)荷為45.741 4×2=91.48噸力。查標(biāo)準(zhǔn)，選用馬蹄型卸扣，規(guī)格為S-BX120-3 1/2，可滿足吊裝安全要求。

（3）吊裝高度校核計(jì)算吊裝高度

式中：H為橋機(jī)在安裝間總起升高度；0.20為座環(huán)底端距離地面的高度；其余參數(shù)與座環(huán)吊裝見圖4所示。

圖4 座環(huán)單鉤整體吊裝示意圖

經(jīng)以上計(jì)算，鋼絲繩、卸扣與橋機(jī)起吊高度均滿足吊裝安全要求。安裝間欄桿高度為1.3 m，吊裝時(shí)橋機(jī)能順利越過欄桿。

2.4 座環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)安裝

(1)準(zhǔn)備工作

尾水錐管上管口配割打磨后，整體吊裝基礎(chǔ)環(huán)，初步調(diào)整基礎(chǔ)環(huán)。按圖紙復(fù)查座環(huán)基礎(chǔ)板的方位、高程和平面度并清理干凈。將斜楔和千斤頂布置于基礎(chǔ)板上，保證千斤頂處于垂直狀態(tài)，測(cè)量調(diào)整千斤頂頂部高程一致(比設(shè)計(jì)高程高出3～5 mm)。在座環(huán)軸線方向布置4個(gè)100 t液壓千斤頂，用于輔助調(diào)整。將24個(gè)座環(huán)地腳螺栓M100×6分別穿入座環(huán)相應(yīng)的孔內(nèi)，并裝上墊片、螺母，與座環(huán)一起吊裝。各項(xiàng)準(zhǔn)備工作完成后用廠房2×350 t橋機(jī)單鉤整體吊裝座環(huán)就位。

(2)調(diào)整與安裝

座環(huán)緩緩吊入機(jī)坑，在地腳螺栓距離座環(huán)基礎(chǔ)板約200 mm時(shí)，多人旋轉(zhuǎn)座環(huán)使各地腳螺栓均對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的套管，繼續(xù)緩緩下落，將座環(huán)落在千斤頂與楔子板上，地腳螺桿也穿入了相應(yīng)套管內(nèi)，裝上墊板、墊圈和螺母。根據(jù)高程基準(zhǔn)點(diǎn)，用液壓千斤頂調(diào)整座環(huán)的高程、水平，滿足高程±2 mm，水平±1 mm。按照測(cè)量放樣的X、Y基準(zhǔn)掛鋼琴線，利用自備的拉緊器、千斤頂、導(dǎo)鏈等工具調(diào)整座環(huán)的中心及方位，使座環(huán)上的X、Y標(biāo)記與鋼琴線重合，方位偏差≤± 2 mm。架設(shè)求心器，掛鋼琴線測(cè)量座環(huán)上下鏜口、導(dǎo)軌、下止漏環(huán)配合面的圓度和同軸度。測(cè)量上、下法蘭面與轉(zhuǎn)輪支承平面之間的距離，計(jì)算各法蘭面的加工余量。

座環(huán)的各項(xiàng)尺寸調(diào)整合格后，打緊并點(diǎn)焊楔子板，頂緊并點(diǎn)焊千斤頂，對(duì)稱、均勻地按設(shè)計(jì)要求預(yù)緊地腳螺栓到設(shè)計(jì)值（2 700 mm螺栓伸長(zhǎng)量4.3 mm，預(yù)緊力2 830 kN；1 730 mm螺栓伸長(zhǎng)量2.6 mm，預(yù)緊力2 830 kN），復(fù)測(cè)座環(huán)中心、方位、水平、高程符合規(guī)范要求并驗(yàn)收。

安裝大舌板與蝸殼尾節(jié)，并進(jìn)行焊接。座環(huán)基礎(chǔ)螺栓二期混凝土澆筑后，焊接基礎(chǔ)環(huán)與錐管之間的焊縫；在混凝土澆筑后，焊接基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)的焊縫。

2.5 座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工

隨著國內(nèi)大型水電站的不斷開工，為解決運(yùn)輸和消除蝸殼安裝、焊接和混凝土澆筑引起的座環(huán)變形，大型座環(huán)勢(shì)必在現(xiàn)場(chǎng)組焊和加工。

為縮短座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工工期，將其安排在機(jī)坑里襯混凝土澆筑后進(jìn)行的，待澆至發(fā)電機(jī)層且機(jī)坑交面時(shí)機(jī)加工已進(jìn)行完畢。錦屏二級(jí)水電站座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)加工主要加工部位：①座環(huán)上法蘭平面及盤根槽；②筒閥上導(dǎo)軌及帶導(dǎo)軌的導(dǎo)葉出水邊；③座環(huán)下鏜口；④座環(huán)底環(huán)板平面；⑤座環(huán)轉(zhuǎn)輪支承平面；⑥止漏環(huán)配合面、止漏環(huán)內(nèi)環(huán)面。

在立車上支臂吊入機(jī)坑前，先將下止漏環(huán)整體吊入機(jī)坑并擺放在銑床底座支架上，待止漏環(huán)配合面加工完畢焊接在座環(huán)上，這樣可縮短工期且減少一道重復(fù)吊裝和調(diào)整立車的工序。吊裝立式銑床，調(diào)整中心立柱的垂直度和中心位置(以上鏜口為基準(zhǔn)，利用內(nèi)徑千分尺或直接在刀架上支放百分表進(jìn)行檢測(cè))，并調(diào)整加工臂的水平度滿足要求。銑床控制系統(tǒng)安裝調(diào)試后進(jìn)行試車加工，從基礎(chǔ)環(huán)開始，自下至上的順序進(jìn)行機(jī)加工。

3 結(jié)語

目前，國內(nèi)大型混流式水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)組焊與安裝技術(shù)已經(jīng)趨于基本成熟。本文通過對(duì)錦屏二級(jí)水電站座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)組焊與安裝技術(shù)的實(shí)踐、總結(jié)、研究和創(chuàng)新，形成了一套完整的大型混流式水輪機(jī)座環(huán)快速現(xiàn)場(chǎng)組焊與安裝工藝與方法，希望對(duì)國內(nèi)不斷開工建設(shè)的大型水電站和巨型水電站提供借鑒和參考。

book=28,ebook=25

TK730.3+13

B

1672-5387（2010）04-0028-05

2010-06-12

李軍（1978-），男，本科，工程師，從事水電站機(jī)電安裝、檢修與技術(shù)管理工作。