大型抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼分瓣方案探討

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。

1 座環(huán)與蝸殼分瓣方案統(tǒng)計分析

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。

2 座環(huán)與蝸殼整體及分瓣方案對比分析

2.1 施工方案分析

（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。

2.2 運輸難度分析

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。

2.3 焊接量、工藝及質(zhì)量控制分析

（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)。

2.4 施工工期分析

（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。

2.5 小結(jié)

（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。

3 天池抽水蓄能電站座環(huán)與蝸殼分瓣方案

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）。

4 結(jié)語

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。