張 赫，李 兵，田 鵬，姜紅偉，陳善貴

（國網(wǎng)新源安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

1 工程簡介

績溪電站位于安徽省績溪縣伏嶺鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座總裝機1 800 MW的大型日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。該電站設計水頭600 m，布置6臺單機300 MW的可逆式水輪發(fā)電機組，承擔華東電網(wǎng)調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用等重要功能。電站蝸殼采用800 MPa級高強度鋼板卷制焊接而成，厚度為25～56 mm；座環(huán)上、下環(huán)板采用抗層狀撕裂鋼板S500Q-Z35；固定導葉為高強鋼板S500Q；蝸殼在廠內(nèi)與座環(huán)焊成整體，分兩瓣運輸至工地安裝，整體組焊后進行15.45 MPa水壓試驗及5.15 MPa保壓澆筑。

2 蝸殼座環(huán)組焊流程

蝸殼座環(huán)焊縫示意圖見圖1。

圖1 蝸殼座環(huán)焊縫示意圖

2.1 座環(huán)焊接

首先進行座環(huán)上、下環(huán)板和固定導葉焊縫①～③的焊接。在坡口內(nèi)進行約20 mm的打底焊，后交替焊滿；之后對蝶型邊焊縫④和下圍板焊縫⑤進行焊接；最后焊接座環(huán)基礎環(huán)板焊縫⑥，仰焊填充約15 mm后平焊坡口并清根，平焊填充約20 mm后重新仰焊焊滿，再平焊并打磨、清理。

2.2 湊合節(jié)、導流板焊接

座環(huán)焊縫無損探傷合格后進行蝸殼湊合節(jié)掛裝，掛裝前須清除坡口周邊100 mm范圍內(nèi)的油污、鐵銹并打磨出金屬光澤。湊合節(jié)掛裝后檢查裝配尺寸，間隙超過3 mm的可在坡口根部堆焊至間隙合格，錯牙大于2 mm的區(qū)域須按1：5過渡打磨。湊合節(jié)環(huán)縫⑦用手工電弧焊完成，采用對稱、分段、退步、多層多道、窄道焊，由蝸殼腰線對稱向兩側(cè)蝶形邊處施焊。導流板焊縫⑨也采用手工電弧焊，先焊與座環(huán)上、下環(huán)板連接處，后進行導流板之間的拼焊，最后完成與蝸殼之間的焊縫。

2.3 蝸殼吊裝

績溪電站分瓣蝸殼組焊后吊入機坑，吊裝前需在蝸殼座環(huán)支墩上設置楔子板，并初調(diào)楔子板高程、水平，并將座環(huán)基礎螺桿涂抹黃油裝入基礎螺桿支架套管。正式起吊前進行聯(lián)合檢查，確認技術、安全要求滿足后方可工作。蝸殼座環(huán)吊至距蝸殼座環(huán)支墩1 m左右高處時緩慢落鉤，以機坑內(nèi)預置的X/Y方位槽鋼定位，通過調(diào)節(jié)楔子板精調(diào)座環(huán)水平，并控制蝸殼進口與上游壓力鋼管出口方位對應后，點焊固定楔子板。

2.4 延伸段焊接

吊入延伸段并調(diào)整其與蝸殼進口間隙、錯牙合格，同時兼顧延伸段進口面法蘭垂直度、中心高程與上游壓力鋼管出口對應。焊接時以蝸殼延伸段內(nèi)側(cè)環(huán)縫為正縫，正縫焊接后進行背縫清根，清根檢查合格后完成背縫焊接。

2.5 焊后消氫及探傷

焊接完成后，在熱態(tài)下對焊縫進行消氫處理，溫度控制在250～300℃，保溫4 h，升溫速率與降溫速率控制在40～50℃/h。消氫后進行100%TOFD+100%UT+100%MT檢查，座環(huán)上、下環(huán)板及基礎環(huán)板焊縫進行100%UT+100%PT（或MT）檢查。

2.6 冷裂紋控制要點

高強鋼焊接重點是防止冷裂紋的產(chǎn)生，焊接冷裂紋主要由接頭淬硬組織、結(jié)構(gòu)拘束度，擴散氫含量三個因素引起。低合金高強鋼通過加入多種提高淬透性的合金元素來保證獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和部分貝氏體混合物，鋼板淬透性好，冷裂敏感性較強。控制冷裂紋，現(xiàn)場可通過控制焊縫冷卻速度，避免由于冷速過快，在焊縫和熱影響區(qū)中出現(xiàn)淬硬組織；同時控制焊接預熱溫度和線能量，并合理設計焊接冷卻時的冷卻速度，使焊縫冷卻時生成韌性較好的混合組織。

3 蝸殼水壓試驗

3.1 試驗目的

蝸殼水壓試驗目的：1）為檢驗蝸殼座環(huán)焊接質(zhì)量并消除焊接過程應力；2）績溪電站取消彈性層，在蝸殼保壓狀態(tài)下進行混凝土澆筑，并用蝸殼中的水帶走混凝土熱量，避免因混凝土水化熱而引起設備變形；3）測量蝸殼座環(huán)膨脹量，校核廠家設計值，檢測運行工況下座環(huán)實際變形量以考慮運行時導葉端面間隙。

3.2 試驗準備

蝸殼座環(huán)臨時支撐全部拆除并打磨光滑；復測方位、中心及水平值符合設計要求；初步預緊座環(huán)基礎螺桿，用PVC管（或熱塑管）將螺桿裸露部分包裹保護，接縫處可靠封堵，防止灌漿時漿液滲入；清潔座環(huán)與封水環(huán)、試驗悶頭配合面，確保接觸面平整無毛刺，保證打壓密封可靠。

為全面監(jiān)測水壓試驗變形量，選取蝸殼斷面徑向、軸向、斜向上45°，封水環(huán)徑向，上、下環(huán)板軸向6個點架設百分表，機坑+Y、-Y、+X、-X、+X-Y共5個方位布置，共30個測點。

3.3 試驗過程

蝸殼按照升壓、保壓、降壓的要求進行耐壓試驗。加壓過程中，檢查蝸殼測壓接頭、蝸殼排水閥、蝸殼進水口等部位有無滲漏；如有異常應立即降壓排水處理；試驗過程中加壓和減壓速率按不超過0.1 MPa/min控制。多次、分步加壓一是能更好的消除焊接應力，二是確保水壓試驗安全性。

3.4 蝸殼變形數(shù)據(jù)分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)值表明，壓力從0 MPa逐步上升至15.45 MPa后回到初始值，百分表測得的變形量也是從初始值到最大值再回到初始值，且變形量與壓力成正比。由此判斷，水壓試驗后蝸殼的變形屬彈性變形；最大變形發(fā)生在+X方向的蝸殼腰線處，為3.87 mm，符合廠家設計值。

圖2 水壓試驗曲線

4 蝸殼保壓澆筑要點

蝸殼保壓5.15 MPa時進行混凝土澆筑，澆筑后對座環(huán)下部及蝸殼陰角處回填灌漿，確保座環(huán)下部混凝土澆筑密實。保壓澆筑速率不大于20 cm/h，混凝土高程差不大于50 cm，澆筑時須打開座環(huán)灌漿孔以觀察混凝土澆筑情況，待漿液溢出后重新封孔，回填灌漿亦可通過排氣孔觀察。

為有效控制保壓澆筑時的上浮量，避免座環(huán)高程、水平出現(xiàn)較大偏差，澆筑前須做好固定措施。傳統(tǒng)蝸殼固定一般采取在蝸殼外表面焊接鋼支撐，而高強鋼對焊接工藝和次數(shù)要求極高，在外表面大量焊接鋼支撐一是工藝復雜、施工效率低，二是對水壓試驗后的蝸殼產(chǎn)生新的內(nèi)應力和變形；故自蝸殼進口至末端分段設置柔性鋼拉鎖，沿座環(huán)上環(huán)筒耳孔處繞蝸殼外側(cè)非過流面與地面攀環(huán)固定，鋼索與蝸殼外表面接觸部分須墊銅皮防護，水壓試驗時拉鎖處于放松狀態(tài)，保壓澆筑前拉緊鋼鎖，確保蝸殼座環(huán)有效固定。

5 座環(huán)基礎螺桿安裝要點及應力計算

5.1 基礎螺桿安裝要點

績溪電站座環(huán)設置40根M100×6的基礎螺桿，螺桿長約4 220 mm；采用分段、多次的拉緊工藝。在保壓澆筑前，座環(huán)下環(huán)板與基礎混凝土處于非接觸狀態(tài)，此時完全拉緊螺桿，混凝土將承受較大的拉應力，結(jié)構(gòu)安全難以保障；故先按設計拉伸值的10%預緊，待蝸殼陰角及座環(huán)下部回填灌漿完成，下環(huán)板與混凝土接觸密實，確保拉緊后混凝土承受壓應力，此時方可分段預緊基礎螺桿。

5.2 基礎螺桿應力計算

圖3 座環(huán)受力分析

績溪電站水頭高、工況轉(zhuǎn)換頻繁，蝸殼座環(huán)在混凝土中的受力也較為復雜，為確保運行安全，需對座環(huán)基礎螺桿預緊力的安全性嚴格校核。通過分析水壓力、部件重量、水重量的綜合效應，將垂直載荷F分解為均布在座環(huán)外圍的F1，均布在底環(huán)外圍的F2，通過底環(huán)下部作用在錐管上的F3。

F1=頂蓋水壓力+頂蓋重量+60%底環(huán)水壓力+60%底環(huán)重量+座環(huán)水壓力+座環(huán)重量+座環(huán)內(nèi)水重量+60%導水機構(gòu)水重量。

F2=底環(huán)30%水壓力+30%底環(huán)重量+30%導水機構(gòu)水重量。

F3=底環(huán)10%水壓力+10%底環(huán)重量+10%導水機構(gòu)水重量。

表1 績溪電站各工況下載荷理論值 單位：N

已知單臺座環(huán)基礎螺桿數(shù)量為40個，尺寸為M100×6，取螺桿最小截面尺寸93 mm，并以基礎螺桿受力最大的轉(zhuǎn)輪升壓工況為例（考慮5%的安全裕量和10%的地震裕量）計算：

基礎螺桿受力：F1×1.05×1.1=7 413299.124×1.05×1.1=85623604（N），方向向上。

螺桿總截面積：

由此可知該工況下基礎螺桿所受應力約315 MPa，而設計預緊力為470 MPa，安全裕度較高。

螺桿拉應力為：

6 總結(jié)

近年來，國內(nèi)抽水蓄能機組不斷向高水頭、大容量發(fā)展，對高強鋼蝸殼座環(huán)的安裝質(zhì)量也提出了更高要求。結(jié)合績溪電站800 MPa級高強鋼蝸殼安裝實際，總結(jié)以下幾點經(jīng)驗：

（1）蝸殼焊接過程中須嚴格控制焊接速度和焊條擺幅，確保焊縫成形質(zhì)量；配置備用電源并定期檢查完好性，避免焊接斷電后保溫不及時造成的高強鋼返修。

（2）現(xiàn)場安裝表明座環(huán)下圍板和下法蘭焊接對座環(huán)水平度影響較大，可采用座環(huán)分瓣面下凹的反變形控制措施，并加強焊接過程中的變形量監(jiān)測。

（3）湊合節(jié)焊接過程中，當兩條環(huán)縫同時焊接時應力不能有效釋放，而一條環(huán)縫焊接另一條處于自由狀態(tài)時，自由狀態(tài)的環(huán)縫間隙會逐步增大，建議采取一條環(huán)縫焊接時另一條環(huán)縫定位焊，效果較好。

（4）加強焊工管理，嚴格高強鋼焊工的進出場制度，避免由于焊工水平參差不齊和變動頻繁，造成的焊接完成質(zhì)量較差和進度滯后。

（5）嚴格保壓澆筑后的座環(huán)基礎螺桿預緊工藝，防止混凝土承受過量的拉應力后產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞；待回填灌漿后確認蝸殼陰角及座環(huán)下部澆筑密實，再多次、分段地預緊基礎螺桿。