大型抽水蓄能電站座環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，是施工關鍵路線上的關鍵工序，而座環與蝸殼的分瓣方案直接影響此關鍵工序的工地現場施工方案、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又分兩瓣及整體兩種不同的方案，天池抽水蓄能電站座環與蝸殼尺寸為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 座環與蝸殼分瓣方案統計分析

座環與蝸殼整體方案：座環為整體結構，蝸殼部分瓦節焊接在座環上一體發貨，受運輸寬度限制，兩側瓦塊、進水管段需在工地焊接。

座環與蝸殼分兩瓣方案：座環分瓣結構，分瓣面沿固定導葉間空檔布置，現場對環板進行拼焊。環板分瓣面處蝸殼在現場焊接，座環定位焊后進行座環焊接，同時掛裝蝸殼，進行蝸殼調整、焊接、驗收。

筆者對目前大型蓄水蓄能電站座環與蝸殼制造、運輸方式進行了收集及統計，詳見表1。

表1 國內部分大型抽水蓄能電站座環與蝸殼分瓣方式統計表

由表1可以看出，根據目前的統計情況，大中型抽水蓄能電站座環與蝸殼采用整體方案及分瓣方案均有。其中4個電站座環與蝸殼采用整體方案，15個電站座環與蝸殼采用分瓣方案，大部分電站采用分瓣方案。

2 座環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GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》要求，轉輪室、基礎環、座環安裝允許偏差，在現場不機加工的情況下，安裝頂蓋和底環的法蘭平面度為0.05mm/m。主機廠提出座環法蘭平面度應不大于0.15mm。以保證座環與導水機構的裝配精度。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GB/T8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》要求，5.1.12蝸殼安裝、焊接及澆筑時，應有防止座環變形的措施?；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，液態混凝土的高度控制在0.6m左右。在澆筑過程中，需監測座環變形，并按實際情況隨時調整混凝土澆筑順序。

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）/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、工藝及質量控制分析

（1）焊接量。整體方案現場焊接量取決于座環整體發運的蝸殼瓦片的數量，天池電站座環與蝸殼現場的焊接部位為2大節蝸殼瓦片，焊縫有4條環縫、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組合面、分瓣座環因有組合連接螺栓，組合面焊縫僅為水封焊；分瓣面兩節蝸殼湊合節4條環縫、蝸殼湊合節與座環過渡板（蝶形邊）4條縱縫；1～4節蝸殼瓦片環縫及縱縫焊接。

經初步估算，分瓣方案現場焊縫體積為0.0835m3，整體方案焊縫體積為0.0385m3。整體方案與分瓣方案相比，減少了現場焊縫體積及焊接量。

（2）焊接工藝及質量控制。整體方案（見圖1）蝸殼環縫焊接對座環的水平、半徑及圓度基本沒有影響?？v縫（蝶形邊）焊接會導致座環圓度變化，可以通過調整焊接順序控制座環圓度變化。座環法蘭面平面度可以通過調整上、下環板焊接順序來控制。焊接順序為：先焊接蝸殼之間環縫，完成后再焊接蝸殼與蝸殼之間的縱焊縫。環焊縫采用分四區焊接，每個區域采用分段退焊。對于縱縫，可采用多名焊工同時焊接，上下仰焊。

圖1 天池電站座環與蝸殼整體方案示意圖

一般為了控制環縫變形，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）在分瓣座環拼裝時，為防止座環法蘭變形，預先把合座環組合法蘭面螺栓，在預緊力約束下完成座環組合縫焊接。測量座環上下環板圓度、同心度，測量法蘭面水平及平行度作為焊接時監控的基準。座環焊接，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焊接變形的監測，并及時調整焊接順序。座環一般為U型坡口，座環焊接以控制平面度為主。

圖2 天池電站座環與蝸殼分兩瓣方案示意圖

焊接按照先縱縫后環縫的順序進行。湊合節安裝工序可根據現場實際情況，調整至座環安裝后進行。

蝸殼焊接以熱處理措施及消除焊接應力為主。湊合節需切割下料，蝸殼焊接順序為先環縫再縱縫（蝶形邊）。蝸殼焊接變形原理與座環不同，座環形同“板材”，蝸殼形同“管材”，座環與蝸殼焊接對比詳見表2。

表2 座環及蝸殼焊接對比表

蝸殼有環縫和縱縫，存在焊接作業面狹小和焊接工藝復雜等難點，分瓣座環因有組合連接螺栓，組合面焊縫僅為水封焊。施工現場不具備自動埋弧焊、氣體保護焊、焊后熱處理消應等條件，施工現場的風速和濕度等焊接環境因素控制難度較大，施工效率比工廠低，工期長、成本高。總體而言，蝸殼的焊接施工難度和質量控制難度及風險大于座環。

2.4 施工工期分析

（1）整體座環現場焊接工作量較少，僅需對部分蝸殼瓦塊和進水段進行焊接。蝸殼座環澆筑時，通過對澆筑速度和變形進行控制，可保證座環上法蘭面的平面度精度，從而不需要對座環進行現場加工，節省安裝工期。天池電站整體蝸殼座環組裝及焊接工期約為60天。

（2）分兩瓣座環現場焊接工作量較多，座環上下環板拼焊難度較大。在蝸殼澆筑后需對座環進行現場加工，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完成座環的焊接與蝸殼掛裝焊接同步的安裝技術，節約加工時間。如黑麋峰電站采用了同步安裝技術，工期效益顯著，但需注意控制座環的高程、中心、水平與圓度等。

2.5 小結

（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，座環與蝸殼分兩瓣運輸難度小，便于控制限制尺寸。座環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，經對運輸線路進行詳細調研，確定天池電站蝸殼與座環整體方案是可行的。

（3）現場焊接量方面，座環與蝸殼整體方案現場需要焊接的為兩大節蝸殼瓦片及進水段。座環與蝸殼分瓣方案現場需要焊接的為分瓣座環組合面、2個蝸殼湊合節及進水段。整體方案現場焊接量小于分瓣方案。

（4）安裝工期方面，對于天池電站，座環與蝸殼整體方案蝸殼瓦片，現場焊接量小，現場無須對座環組合面進行焊接，澆筑過程中控制座環法蘭面水平度在設計值范圍內，無須進行打磨，可節省安裝工期。分瓣座環與蝸殼現場焊接量大，焊接過程中需嚴格控制座環法蘭面水平度，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。座環上/下環板的材料為S460N-Z35，固定導葉材料為S550Q，座環內徑最小處為4950mm，外徑為6670mm，座環鋼板最厚處約為199.5mm。蝸殼材料為B610CF。蝸殼共有19個環節及進口段組成，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，推薦座環與蝸殼采用相對常規的分瓣方案。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研和研究，充分考慮現場施工工藝、焊接量、質量控制、施工工期等因素，認為整體方案是可行的。最終天池電站座環與蝸殼采用整體發運的方式，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 天池蝸殼座環運輸尺寸示意圖

座環與蝸殼在工廠內已全部焊接為整體，受運輸寬度限制，蝸殼部分瓦節連接在座環上一體發貨，兩側瓦塊（1～6節整體及11～15節整體）在工廠焊接好的基礎上，經切割后運輸至工地。蝸殼1～6節整體、11～15節整體及進水管段需現場掛裝及焊接（詳見圖1）。

4 結語

座環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研，根據電站運輸條件制定蝸殼瓦片的分割方案?，F場焊接體積較小，可節省安裝工期。蝸殼縱縫焊縫是焊接質量控制重點。

座環與蝸殼分兩瓣方案便于控制限制尺寸，運輸難度小?，F場焊接座環法蘭面平面度是焊接質量控制重點，但類似電站分兩瓣方案較多，工藝成熟?，F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，若站在焊接質量控制角度，分兩瓣方案略優于整體方案；若站在電站工期角度，整體方案略優于分兩瓣方案。后續抽水蓄能電站在選擇蝸殼與座環分瓣方案時，需綜合考慮運輸條件、現場焊接質量控制、安裝工期等因素確定。