劉霞,鄭建興
(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司,湖南 長沙 410014)
座環(huán)與蝸殼安裝是抽水蓄能電站機電安裝的一項重要工作,是施工關(guān)鍵路線上的關(guān)鍵工序,而座環(huán)與蝸殼的分瓣方案直接影響此關(guān)鍵工序的工地現(xiàn)場施工方案、焊接量、焊接工藝及安裝工藝等,目前抽水蓄能電站蝸殼與座環(huán)又分兩瓣及整體兩種不同的方案,天池抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼尺寸為9.9m(長)×8.989m(寬)×2.566m(高),處于分兩瓣與整體的邊界,本文以天池抽水蓄能電站為例,對分兩瓣及整體兩種方案,從施工方案、運輸難度、焊接工藝及質(zhì)量控制、施工工期等多方面進行了詳細的對比和分析。
座環(huán)與蝸殼整體方案:座環(huán)為整體結(jié)構(gòu),蝸殼部分瓦節(jié)焊接在座環(huán)上一體發(fā)貨,受運輸寬度限制,兩側(cè)瓦塊、進水管段需在工地焊接。
座環(huán)與蝸殼分兩瓣方案:座環(huán)分瓣結(jié)構(gòu),分瓣面沿固定導葉間空檔布置,現(xiàn)場對環(huán)板進行拼焊。環(huán)板分瓣面處蝸殼在現(xiàn)場焊接,座環(huán)定位焊后進行座環(huán)焊接,同時掛裝蝸殼,進行蝸殼調(diào)整、焊接、驗收。
筆者對目前大型蓄水蓄能電站座環(huán)與蝸殼制造、運輸方式進行了收集及統(tǒng)計,詳見表1。
表1 國內(nèi)部分大型抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼分瓣方式統(tǒng)計表
由表1可以看出,根據(jù)目前的統(tǒng)計情況,大中型抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼采用整體方案及分瓣方案均有。其中4個電站座環(huán)與蝸殼采用整體方案,15個電站座環(huán)與蝸殼采用分瓣方案,大部分電站采用分瓣方案。
(1)安裝精度。根據(jù)GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》要求,轉(zhuǎn)輪室、基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)安裝允許偏差,在現(xiàn)場不機加工的情況下,安裝頂蓋和底環(huán)的法蘭平面度為0.05mm/m。主機廠提出座環(huán)法蘭平面度應不大于0.15mm。以保證座環(huán)與導水機構(gòu)的裝配精度。若法蘭面平面度超標,則需要進行加工打磨處理。
(2)混凝土澆筑。根據(jù)GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》要求,5.1.12蝸殼安裝、焊接及澆筑時,應有防止座環(huán)變形的措施?;炷翝仓仙俣炔怀^300mm/h,每層澆高一般為1~2m,澆筑應對稱分層分塊,液態(tài)混凝土的高度控制在0.6m左右。在澆筑過程中,需監(jiān)測座環(huán)變形,并按實際情況隨時調(diào)整混凝土澆筑順序。
對于整體及分兩瓣方案來說,安裝精度及混凝土澆筑要求是一致的。
天池抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼整體方案運輸重量約為76.4t,運輸尺寸為 10.381m(長)×6.7m(寬)×2.566m(高)。分瓣方案運輸(蝸殼+座環(huán))/2,運輸重量為60t,尺寸為9.3m(長)×5.3m(寬)×2.6m(高)。
運輸尺寸及重量均小于整體方案,特別是運輸長度及寬度尺寸,從運輸難度上來看,分瓣方案難度相比整體方案難度小。
(1)焊接量。整體方案現(xiàn)場焊接量取決于座環(huán)整體發(fā)運的蝸殼瓦片的數(shù)量,天池電站座環(huán)與蝸殼現(xiàn)場的焊接部位為2大節(jié)蝸殼瓦片,焊縫有4條環(huán)縫、4條縱縫(蝶形邊焊縫),蝸殼焊縫的坡口型式為雙V型坡口,坡口深度為13~34mm。
分瓣方案的焊接部位為分瓣座環(huán)組合面、分瓣座環(huán)因有組合連接螺栓,組合面焊縫僅為水封焊;分瓣面兩節(jié)蝸殼湊合節(jié)4條環(huán)縫、蝸殼湊合節(jié)與座環(huán)過渡板(蝶形邊)4條縱縫;1~4節(jié)蝸殼瓦片環(huán)縫及縱縫焊接。
經(jīng)初步估算,分瓣方案現(xiàn)場焊縫體積為0.0835m3,整體方案焊縫體積為0.0385m3。整體方案與分瓣方案相比,減少了現(xiàn)場焊縫體積及焊接量。
(2)焊接工藝及質(zhì)量控制。整體方案(見圖1)蝸殼環(huán)縫焊接對座環(huán)的水平、半徑及圓度基本沒有影響。縱縫(蝶形邊)焊接會導致座環(huán)圓度變化,可以通過調(diào)整焊接順序控制座環(huán)圓度變化。座環(huán)法蘭面平面度可以通過調(diào)整上、下環(huán)板焊接順序來控制。焊接順序為:先焊接蝸殼之間環(huán)縫,完成后再焊接蝸殼與蝸殼之間的縱焊縫。環(huán)焊縫采用分四區(qū)焊接,每個區(qū)域采用分段退焊。對于縱縫,可采用多名焊工同時焊接,上下仰焊。
圖1 天池電站座環(huán)與蝸殼整體方案示意圖
一般為了控制環(huán)縫變形,可采用多層、多道、對稱、分段、退步的焊接方法。
分兩瓣方案(詳見圖2)在分瓣座環(huán)拼裝時,為防止座環(huán)法蘭變形,預先把合座環(huán)組合法蘭面螺栓,在預緊力約束下完成座環(huán)組合縫焊接。測量座環(huán)上下環(huán)板圓度、同心度,測量法蘭面水平及平行度作為焊接時監(jiān)控的基準。座環(huán)焊接,由四名焊工在合縫位置,每道合縫處分上、下兩層各1名對稱施焊,焊接過程中加強對座環(huán)焊接變形的監(jiān)測,并及時調(diào)整焊接順序。座環(huán)一般為U型坡口,座環(huán)焊接以控制平面度為主。
圖2 天池電站座環(huán)與蝸殼分兩瓣方案示意圖
焊接按照先縱縫后環(huán)縫的順序進行。湊合節(jié)安裝工序可根據(jù)現(xiàn)場實際情況,調(diào)整至座環(huán)安裝后進行。
蝸殼焊接以熱處理措施及消除焊接應力為主。湊合節(jié)需切割下料,蝸殼焊接順序為先環(huán)縫再縱縫(蝶形邊)。蝸殼焊接變形原理與座環(huán)不同,座環(huán)形同“板材”,蝸殼形同“管材”,座環(huán)與蝸殼焊接對比詳見表2。
表2 座環(huán)及蝸殼焊接對比表
蝸殼有環(huán)縫和縱縫,存在焊接作業(yè)面狹小和焊接工藝復雜等難點,分瓣座環(huán)因有組合連接螺栓,組合面焊縫僅為水封焊。施工現(xiàn)場不具備自動埋弧焊、氣體保護焊、焊后熱處理消應等條件,施工現(xiàn)場的風速和濕度等焊接環(huán)境因素控制難度較大,施工效率比工廠低,工期長、成本高??傮w而言,蝸殼的焊接施工難度和質(zhì)量控制難度及風險大于座環(huán)。
(1)整體座環(huán)現(xiàn)場焊接工作量較少,僅需對部分蝸殼瓦塊和進水段進行焊接。蝸殼座環(huán)澆筑時,通過對澆筑速度和變形進行控制,可保證座環(huán)上法蘭面的平面度精度,從而不需要對座環(huán)進行現(xiàn)場加工,節(jié)省安裝工期。天池電站整體蝸殼座環(huán)組裝及焊接工期約為60天。
(2)分兩瓣座環(huán)現(xiàn)場焊接工作量較多,座環(huán)上下環(huán)板拼焊難度較大。在蝸殼澆筑后需對座環(huán)進行現(xiàn)場加工,以保證法蘭面的精度要求,工地安裝周期相對較長,天池電站大約需要120天。也有電站采用在機坑內(nèi)完成座環(huán)的焊接與蝸殼掛裝焊接同步的安裝技術(shù),節(jié)約加工時間。如黑麋峰電站采用了同步安裝技術(shù),工期效益顯著,但需注意控制座環(huán)的高程、中心、水平與圓度等。
(1)施工方案及要求方面,對于整體及分兩瓣方案來說,安裝精度及混凝土澆筑要求是一致的。
(2)運輸方面,座環(huán)與蝸殼分兩瓣運輸難度小,便于控制限制尺寸。座環(huán)與蝸殼整體方案運輸難度較大,有超寬超重等問題,運輸難度較大,經(jīng)對運輸線路進行詳細調(diào)研,確定天池電站蝸殼與座環(huán)整體方案是可行的。
(3)現(xiàn)場焊接量方面,座環(huán)與蝸殼整體方案現(xiàn)場需要焊接的為兩大節(jié)蝸殼瓦片及進水段。座環(huán)與蝸殼分瓣方案現(xiàn)場需要焊接的為分瓣座環(huán)組合面、2個蝸殼湊合節(jié)及進水段。整體方案現(xiàn)場焊接量小于分瓣方案。
(4)安裝工期方面,對于天池電站,座環(huán)與蝸殼整體方案蝸殼瓦片,現(xiàn)場焊接量小,現(xiàn)場無須對座環(huán)組合面進行焊接,澆筑過程中控制座環(huán)法蘭面水平度在設計值范圍內(nèi),無須進行打磨,可節(jié)省安裝工期。分瓣座環(huán)與蝸殼現(xiàn)場焊接量大,焊接過程中需嚴格控制座環(huán)法蘭面水平度,安裝工期相比整體方案長。
天池抽水蓄能電站機組采用斜向75°(順時針)的進水方式,蝸殼為金屬蝸殼。座環(huán)上/下環(huán)板的材料為S460N-Z35,固定導葉材料為S550Q,座環(huán)內(nèi)徑最小處為4950mm,外徑為6670mm,座環(huán)鋼板最厚處約為199.5mm。蝸殼材料為B610CF。蝸殼共有19個環(huán)節(jié)及進口段組成,蝸殼進口直徑2240mm,設計壓力為880m·WC,鋼板厚度為26~68mm。
主機設備投標階段,考慮電站運輸條件等制約因素,推薦座環(huán)與蝸殼采用相對常規(guī)的分瓣方案。在機組設計制造階段,針對整體方案及相應的運輸線路條件進行了詳細的調(diào)研和研究,充分考慮現(xiàn)場施工工藝、焊接量、質(zhì)量控制、施工工期等因素,認為整體方案是可行的。最終天池電站座環(huán)與蝸殼采用整體發(fā)運的方式,運輸重量約為76.4t,運輸尺寸為10.381m(長)×6.7m(寬)×2.566m(高),詳見圖3。
圖3 天池蝸殼座環(huán)運輸尺寸示意圖
座環(huán)與蝸殼在工廠內(nèi)已全部焊接為整體,受運輸寬度限制,蝸殼部分瓦節(jié)連接在座環(huán)上一體發(fā)貨,兩側(cè)瓦塊(1~6節(jié)整體及11~15節(jié)整體)在工廠焊接好的基礎(chǔ)上,經(jīng)切割后運輸至工地。蝸殼1~6節(jié)整體、11~15節(jié)整體及進水管段需現(xiàn)場掛裝及焊接(詳見圖1)。
座環(huán)與蝸殼整體方案運輸具有一定難度,需要進行詳細的運輸方案調(diào)研,根據(jù)電站運輸條件制定蝸殼瓦片的分割方案?,F(xiàn)場焊接體積較小,可節(jié)省安裝工期。蝸殼縱縫焊縫是焊接質(zhì)量控制重點。
座環(huán)與蝸殼分兩瓣方案便于控制限制尺寸,運輸難度小?,F(xiàn)場焊接座環(huán)法蘭面平面度是焊接質(zhì)量控制重點,但類似電站分兩瓣方案較多,工藝成熟。現(xiàn)場焊接體積比整體方案大,安裝工期相比整體方案長。
總而言之,若站在焊接質(zhì)量控制角度,分兩瓣方案略優(yōu)于整體方案;若站在電站工期角度,整體方案略優(yōu)于分兩瓣方案。后續(xù)抽水蓄能電站在選擇蝸殼與座環(huán)分瓣方案時,需綜合考慮運輸條件、現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制、安裝工期等因素確定。