乌东德右岸地下电站85万kW机组座环安装技术研究

焦 雄，胡启斌，吕毓敏，马宏煜

(1.陕西引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710010；
2.中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西 西安 710100)

水轮发电机组座环采用安装间组焊整体吊装和传统分瓣吊入机坑的安装方案相比，具有快捷，有利于质量控制等优点，为了获得较优的座环安装方案，特别是针对一些施工空间有限、环境恶劣、交叉施工干扰大的地下厂房中选用较多。座环作为水轮发电机组的主要部件，其安装质量将影响水轮发电机组整体安装质量和后续稳定运行。

目前，随着我国水电装备制造能力不断提高和关键技术的突破，水电机组单机容量已进入百万千瓦时代。许多学者对水电机组座环安装和质量控制进行了研究，望运东、林宏，望乔磊[1]分析研究了白鹤滩水电站座环整体安装工艺，总结了整体安装方案的难点及应对措施；
贾栋林[2]分析研究了两河口水电站水轮机座环组焊施工工艺，总结了座环组装、焊接质量控制关键；
郭明星，王志勇[3]分析研究了乌东德水电站左岸85万kW机组座环吊装专项安全技术措施，提出了一套安全、快捷的吊装方案。

本文以乌东德右岸地下电站机组座环安装为例，通过对比分析现场施工条件、座环结构、质量控制等方面的因素，研究了巨型水电机组座环安装方案、具体的操作方法和安装过程控制的重难点，快速、安全的进行了座环的安装工作，确保了座环在有限环境条件下保质保量、快速施工。

金沙江乌东德左、右岸地下电站各安装6台单机容量85万 kW水轮发电机组，总装机容量1 020万 kW，多年平均发电量389.3亿 kW·h，正常蓄水位975.0 m，总库容74.3亿 m3。

右岸地下电站水轮发电机组座环由4瓣组成，单瓣最大重量110 t，总重量约385 t，现场用螺栓及定位销钉把合组圆后进行组圆焊接，组装后最大外形尺寸14 700×4 200 mm，最大内径11 730 mm，上、下环板板厚分别为270 mm/260 mm，采用材质为S355J2N抗撕裂钢材制造。固定导叶24片，导叶高度2 044 mm，采用材质为锻25MnSX钢材制造。该机组座环具有外形尺寸大、板材厚度大、重量大，分瓣较多，组合焊缝尺寸大，焊接材料填充量大，现场组焊及变形量控制难度大等特点。其结构如图1所示。

图1 座环结构图

根据国内大中型水轮发电机组座环安装成功经验，座环安装有两种方案，一种是将分瓣座环依次吊入机坑，在机坑组圆焊接的安装方案。另一种是在安装间组圆焊接后，采用桥机整体吊入机坑的方案。为了适应乌东德右岸地下厂房现场施工条件，获得既满足机组座环安装质量、安全、进度要求，又不能对土建施工有较大影响的座环安装方案。经过比选，最终选择了有利于座环质量控制，节省工期，保证施工安全的安装间组焊整体吊装方案。

3.1 分瓣吊入机坑组焊方案

等座环支墩混凝土浇筑完成达到设计强度，基础环和座环基础钢支墩安装验收合格后，利用主厂房160t/160t小桥机将分瓣座环依次吊入机坑，在机坑内按照设计图纸及规范要求完成座环安装位置、高程，上下环板水平度、圆度、同轴度调整，以及组圆、组合焊缝焊接、检测等工作。

施工期间，大量组合焊缝均在机坑内完成，施工周期较长，组圆焊接作业环境较差，不利于座环焊接质量控制，同时，施工期间与其它机电埋件安装、土建等其他专业同时施工相互干扰，安全管理难度较大，且施工场地狭小，座环施工设备布置空间紧张，施工作业排架、平台搭设需重复搭设，工作量大。

3.2 安装间组焊整体吊装方案

安装间组焊整体吊装的方案，主要是将座环组圆、上下环板水平度、圆度、同轴度调整，以及组合焊缝焊接、检测等工作提前在安装间组焊工位上进行，座环组焊完成，各项尺寸检测合格后，最后利用主厂房1 300 t大桥机整体吊入机坑。

座环安装间组焊期间，可与基础环、座环支墩混凝土、其它机电埋件同步施工，减少了各专业间相互施工干扰，节约直线工期，同时，组圆和大量组合焊缝均在安装间完成，施工环境较好，场地较宽阔，有利于座环焊接质量控制和施工设备布置，且施工平台可重复使用，减少了施工成本。但是，该方案需要配备吨位更大的吊具，占用安装间较大空间[4]。

4.1 分瓣组圆

分瓣座环运输至主安装间后，将座环各组合面焊缝坡口及周边50 mm围内的铁锈、油污、水分及保护性油漆打磨清理干净，露出金属光泽，并采用PT进行表面探伤检测，发现缺陷及时处理合格。利用主厂房160t/160t桥机上、下游吊钩相互配合依次按照B-C-D-A顺序将分瓣座环在空中翻身后，根据图纸和制造厂内标记的位置、方向，将座环置于主安装场预先安装调整好的钢支墩上，然后，利用设置在座环分瓣面底部的千斤顶、设置在分瓣面的拉紧器，并在桥机的配合下完成座环上下环板水平度、圆度、同轴度的调整，并确保与标记的控制线对正，穿入拧紧定位螺栓及定位销钉。座环分瓣组圆完成，采用水准仪、内径千分尺、钢琴线求心器等测量工具对座环上下环板圆度、水平度、同轴度、组合缝错牙等指标再次进行测量复核，其上下环板圆度控制在±2.5 mm范围内、水平偏差控制在±2 mm范围内、同轴度不超过2.5 mm，变形监测设备设施布置安装就位后，进行座环分瓣组合焊缝的焊接工作。

4.2 座环焊接

(1)焊接温度。环板组合焊缝、过渡段和圆筒拼接焊缝，对焊接区域(两侧各大于100 mm范围)采用履带式陶瓷电加热板进行局部预热，环板预热温度为120℃～150℃，过渡段焊接预热温度为≥150℃，圆筒预热温度为≥80℃，导流环预热温度为120～150℃。过渡段相关焊缝焊接过程在应严格控制层间温度≤175℃，其它焊缝层间温度≤250℃，焊接操作宜连续完成，若中途停焊必须采取保温措施，恢复施焊时应达到预热温度要求。环板对接焊缝和过渡段相关焊缝焊后应进行后热200℃～250℃，持续4 h[5]。

(2)焊接材料及焊接参数。座环组焊涉及的焊条有E7015和E9015两种规格，座环环板、圆筒及导流环焊接采用E7015焊条，过渡板焊接采用E9015焊条，并按照焊条使用说明书要求对焊条进行350℃～400℃烘烤，且不低于2 h。两种焊条焊接工艺参数见表1、表2。

(3)焊接方法。现场焊接采用对称、多层多道、短弧、窄道、分段退步焊条手工电弧焊，每道焊道宽度不允许超过3倍焊条直径，多层多道焊时，每个接头之间必须错开30～50 mm，每焊一道，清渣一次并作检查，如发现缺陷及时清除、修补再作检查，不允许带缺陷进行下一步操作，除打底3层和盖面层外，其余每焊一层均要求采用风铲进行锤击振动消应处理。

表1 E7015焊接工艺参数表

表2 E9015焊接工艺参数表

(4)定位焊。定位焊焊条牌号和使用要求与正式焊缝焊接相同，并要求其焊角不小于8 mm，长度30 mm，间隔100 mm，且应焊接牢固，无缺陷。

(5)焊缝坡口型式。该机组座环上下环板组合焊缝坡口形式为对称X型，角度24°，钝边长度50 mm，高度10 mm。

(6)焊接顺序。座环上下环板对接焊缝→对称焊接圆筒拼接焊缝→蜗壳过渡段焊接→导流环焊接。

(7)正式焊接。座环上下环板8条组合焊缝，由8名焊工同时对称由焊缝中心向两侧分段退步施焊。焊接过程中，首先焊接上下环板平焊面，并按照分段、对称、多层多道、窄道焊的方法焊至25～30 mm厚度时，再对称焊接上下环板仰焊缝(背面)，并同时由焊缝中心向两侧退步施焊，焊接6～8层约25～30 mm。接着按正反两面对称交替焊接完成。在正反面焊缝对称交替焊接时，应结合座环组焊变形检测数据及时调整焊接位置、方向和参数，以保证座环圆度、环板水平度、同轴度等质量指标满足设计要求。

4.3 变形监控

座环在组装焊接过程中，须全程对上下环板精加工平面水平度、精加工立面圆度、同轴度和组合焊缝收缩量进行变形监测。

座环在安装间组拼完成，上下环板水平度、圆度、同轴度调整合格，将组合焊缝定位销钉把合螺栓拧紧后，在座环上下环板精加工立面和平面均布设置16个测点，做好标记；
在组合焊缝两侧各装设一根测量柱，并测量记录原始距离。利用水准仪监测上下环板平面水平度；
利用钢琴线求心器和内径千分尺监测上下环板立面圆度、同轴度；
利用测量柱监测上下环板组合焊缝收缩量。在焊接过程中，监测人员间隔一定时间观测变形情况，并详细记录各位置监测数据，如出现异常变形则应立即调整焊接速度、顺序或焊接位置，确保座环焊接过程各质量指标变形控制在合格范围内[6]。

4.4 吊具计算与校核

4.4.1 钢丝绳长度计算

座环在安装间组焊完成后，通过计算可得到钢丝绳最大垂直高度：

根据图2中重心位置，取重心距圆周最长点D，分别计算得到4根钢丝绳绳的长度：

1#钢丝绳计算长度：

同理可计算得到：2#钢丝绳计算长度L2=22.116 m，3#钢丝绳计算长度L3=21.999 m，4#钢丝绳计算长度L4=22.381 m。

H为钢丝绳最大垂直高度，m；
△X为座环重心偏离+X轴距离，300 mm；
△Y为座环重心偏离+Y轴距离，250 mm；
D为吊耳在下环板圆周直径，12.8 m；
α为钢丝绳起吊角度，33.5°；
L为1 300 t桥机直柄双钩中心距，960 mm。

图2 座环整体吊装示意图

钢丝绳利用向家坝水电站4根座环吊装由巨力索具公司生产的高性能无接头WJT96钢丝绳圈，每根绳长18 m，钢丝绳长度不足部分采用8组板厚56 mm，SX780CF高强钢板特制的吊耳板和Φ80 mm，200 t卸扣销轴与座环吊耳、钢丝绳圈连接，满足座环整体吊装要求。

图3 吊装连接板示意图

4.4.2 吊装高度校核

经查相关图纸，吊钩在安装间有效起升高度H0=15.40 m，座环吊点以下高度H1=2.1 m，安装间与主机间临边防护栏杆高H2=1.2 m，钢丝绳最大垂直高度H=9.560 m，安装间地面至钢丝绳顶部最大高度H总=H1+H2+H=12.860 m。

座环在安装间组装支墩上可以提升高度余量H△=H0-H总=2.540 m，满足座环整体吊装高度要求。

4.4.3 钢丝绳安全系数校核

查巨力索具—无接头绳圈索具产品参数表，高性能无接头WJT96钢丝绳最小破断拉力F0=5 141 kN，每个吊点钢丝绳所受拉力：

安全系数：

式中：F为钢丝绳所受拉力，kN；
W为座环重量，385 t；
F0为钢丝绳最小破断拉力，5 141 kN；
α为钢丝绳起吊角度，33.5°；
g为重力，9.8 N/kg。

大于规范要求的安全系数6，因此，使用4根8股Φ96 mm钢丝绳满足该座环整体吊装要求。

(1)环板组合焊缝焊接质量控制。对于座环上下环板厚板焊接一定要按照对称、多层多道、短弧、窄道、分段退步的方法进行焊接。为保证焊缝焊接质量，每焊一道，清渣检查一次，禁止带缺陷进行下一步操作；
每焊一层必须采用风铲进行锤击消应处理，避免因焊接应力过大，造成座环整体较大变形，同时，焊接过程中须全程保证焊缝层间温度不超过250℃，焊后应及时对环板对接焊缝和过渡段相关焊缝进行后热消氢处理。

(2)焊接变形监控。座环在焊接过程中须严格对上下环板水平度、圆度、同轴度进行变形监控，发现变形过大或过快时，及时改变焊接位置、方向或焊接顺序，确保上述质量指标控制在合格范围内。

(3)座环整体吊装及吊具选择。座环整体吊装前，必须根据座环最大重量、整体重心和桥机起吊高度，准确选择吊装钢丝绳型号，精确计算吊装钢丝绳长度和安全系数，确保座环在整体吊装过程中各吊点均匀受力，避免重心偏离过大，使座环不能准确吊装就位。

受乌东德右岸地下厂房现场施工条件影响，为满足座环安装质量控制、安全管理要求和总工期节点目标要求，采用安装间组焊整体吊装的方案，虽然定制采购了一套专用吊索具，增加了一定的投资，但从整个乌东德工程整体和实际应用效果看，可承担左右岸12台机组座环整体吊装的需要，在工效方面相比分瓣吊装安装方案还是得到了很大提升。同时，座环组焊可与厂房土建、其他机电埋件同步施工，减少了相互间施工干扰，节省了直线工期；
座环组焊施工环境也得到了改善，有效提升了座环组焊工效，且更利于组焊过程质量控制；
减少了施工平台、施工排架重复搭设成本。也为大型机组座环安全、快速施工提供了参考实例。