白鶴灘水電站纜機9m3混凝土吊罐優化改造設計

李生福 唐明金

中國水電四局（蘭州）機械裝備有限公司 甘肅蘭州 730000

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣和四川省寧南縣交界處的金沙江干流之上，是目前世界在建規模最大的水電站，裝機總容量1600萬千瓦，單機容量100萬千瓦，單機容量位居世界第一。白鶴灘水電站大壩為300米級特高混凝土雙曲拱壩，最大壩高289米，壩頂弧長709米。大壩共分為31個壩段，大壩主體混凝土澆筑總量803萬立方米[1]。大壩于2017年4月開始澆筑，經過近50個月的建設，于2021年5月31日實現全線澆筑到頂，平均月強度超過16萬立方米。

吊運大壩混凝土用的吊罐由最初的設計容量3m3發展到6m3，再到現在大型水電站施工采用的9m3，吊罐和混凝土的重量近30t。大方量、高施工強度的大壩混凝土澆筑施工改變了吊罐的使用頻率和使用工況，原設計使用的吊罐容易出現罐體結構變形、連接部位松動、磨損嚴重等問題，本文結合工程施工實踐，介紹了吊罐使用中反映出來的問題，并針對問題提出優化設計方案進行實施改造，經工程施工實踐檢驗取得了良好效果，可為同類工程施工提供借鑒經驗。

1 吊罐基本情況

白鶴灘水電站位于云南省巧家縣和四川省寧南縣交界處的金沙江干流之上，是目前世界在建規模最大的水電站，裝機總容量1600萬千瓦，單機容量100萬千瓦，單機容量位居世界第一。擋水大壩采用雙曲線線型設計，是300米級混凝土雙曲特高拱壩，最大壩高289米，壩頂弧長709米；大壩主體混凝土澆筑總方量達800萬立方米，共分為31個壩段。2019年，白鶴灘水電站大壩創下年澆筑量270萬方、月澆筑量27.3萬方的同類工程世界紀錄。

白鶴灘水電站30t纜機配套使用的9m3混凝土吊罐（也叫立罐）為大壩混凝土澆筑所需的專用設備，其作用是將運輸到供料平臺上的混凝土吊運到澆筑倉號內。吊罐由罐體、下料弧門、兩個液壓蓄能油缸、兩個弧門啟閉油缸、手動換向閥、單向閥、濾油器、截止閥、油箱等組成。

當用纜機提升吊罐時，向上的提升力和向下的吊罐自重，以及混凝土料自重的相互作用，使油缸有桿腔成為壓力腔，為吊罐啟閉弧門提供動力。雙開弧門通常保持緊閉狀態，當向下拉手動換向閥手柄時，通過改變油路流向將弧門開啟，松開手動換向閥，閥芯在彈簧的作用下自動復位，此時油路再次換向將弧門關閉。吊罐結構形式見圖1。

2 存在的主要問題

（1）纜機9m3吊罐在頻繁使用和就位取料停靠的過程中，吊罐與卸料平臺經常產生較大的撞擊，容易造成罐體結構變形、連接部位松動現象[2]。在裝入混凝土時，混凝土從灌頂傾瀉到罐體內，對罐底托輥、弧門及錐段管壁產生較大的沖擊力，容易造成錐段管壁和弧門變形，導致弧門漏料和密封膠皮頻繁擠壓破損。

（2）弧門托輥采用兩端螺栓固定方式，此螺栓為M16普通螺栓，強度不足，在混凝土的沖擊下，容易出現螺栓剪斷（二級混凝土尤其嚴重），存在托輥空中脫落的安全隱患。

（3）罐體頂部的出繩口安全防護設計可靠性不高，當吊罐鋼絲繩或油缸脫落后可能導致罐體脫落。

（4）弧門結構單薄，剛度不足，容易產生變形。

（5）罐體錐段壁薄，容易變形，錐管的加勁環與四個立柱未剛性連接，導致罐體整體剛性不足。

（6）吊罐頂部的出繩孔防護尼龍護套外徑偏小，鋼絲繩容易將尼龍套磨損穿透導致同鋼質壓板摩擦，對鋼絲繩使用壽命影響較大。

（7）吊罐底部環梁剛性不夠，需優化加強。

3 優化改造方案

白鶴灘水電站纜機9m3吊罐經過近一年的運行，發現實際使用工況惡劣，在使用過程中的反復撞擊力超出部分構件的承載能力，造成結構變形或疲勞損傷，除做好設備日常維護和保養外，需采取優化改造措施。

（1）錐段管壁和弧門改造。錐段管壁改造：原設計管壁厚度8mm，Q235B材質，在使用過程中對內壁貼焊襯板進行了加厚耐磨處理[3]。由于受現場施工條件和設備的限制，襯板無法卷制成比較標準的錐形，襯板對錐段的補強效果受到影響。因此，采取廠內加工錐段管壁，用耐磨鋼板NM400，厚度增加到10mm，在增加耐磨性的同時增加材料的強度。采用高度350mm的一道加勁環采（Q345B材質）對錐管段進行加固，并將立柱與加勁環用鋼板進行焊接連接。優化改造后的罐體見圖2：

圖2 優化改造后的罐體

弧門改造：原設計弧門板厚12mm，Q235B材質，結構較單薄。改造方案將弧門主要受力的扇形耳板厚度加厚到20mm，耳板薄弱部位采用16mm鋼板進行加厚補強處理，采用Q345B材質。為方便加工制作，將原冷折彎結構改為焊接結構，增加加強筋板。優化改造后的弧門見圖3：

圖3 優化改造后的弧門

（2）托輥改造。將托輥與弧門的聯接螺栓由原來的M16×60普通螺栓更換為8.8級M24×60高強螺栓，在螺帽上鉆直徑5mm雙向防松孔。因托輥內的軸承、軸承座等尺寸改變，托輥重新進行了加工制作。托輥與弧門連接方式見圖4：

圖4 托輥與弧門連接方式

（3）吊罐油缸活塞桿改為彈簧回位的方式，取消油缸頂部的配重，重新將吊罐中部的環梁回復成整體，并采用補強板的方式牢固焊接，罐體上部整體剛性得到加強。

（5）將罐體立柱頂部的鋼絲繩座板的位置加裝安全保護措施，原有尼龍套外徑70mm，內徑40mm，改造后外徑130mm，內徑40mm，相應尼龍套及其座子重新加工，提高了使用安全性，有效避免了鋼絲繩與壓板的直接接觸摩擦。

（6）改造后的罐體底部環形梁采用截面200×200的箱型梁，板厚10mm，并將底環梁與立柱用補強板加固焊接。

（7）錐段改造采用了高度350mm的加勁環，并將加勁環與防撞立柱進行剛性連接，此次改造不再在防撞立柱的其它部位增加與罐體連接的防撞加強鋼板，避免了撞擊導致管壁嚴重變形。

4 結語

改造后的吊罐重量約28.8t，比原吊罐增加重量約821kg，吊罐總重6.3t，在滿載9m3混凝土的情況下總重量未超過29t，滿足30t纜機頻繁吊運的安全使用要求。

改造后經過一年多的運行使用，故障率大幅降低，有效降低了維護檢修成本，使用安全性得到了保障。