金造桥水电站蜗壳座环安装及水压试验

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  摘 要:根据金造桥水库电站的具体工程概况及其蜗壳和座环结构的特征,制定适当的安装工艺流程,主要针对安装施工前的支撑、支墩以及基础螺栓等的施工准备工作,蜗壳座环的组合拼接、焊接、压缝、吊装、位置调整等安装过程进行的详细的分析。同时还进行蜗壳水压试验,依照蜗壳水压试验的目的和要求进行各项准备工作,记录水压试验过程中的各个关键部位的压力,并进行了保压控制。结果表明,该工程的施工效果达到了规定的要求,同时也应注意对各个部位焊缝质量的检查,以保证结构的安全。
  关键词:蜗壳座环,安装,焊接,水压试验,水电站
  引 言
  一般情况下,大型水轮发电机组具有流量大、水头较高的特点,其水轮机蜗壳一般采用金属型蜗壳,如三峡水电站、龙滩水电站以及小湾水电站等大型水电站,它们共同的特点主要为结构尺寸大、质量大、现场安装、焊接工作量大,而且安装质量要求高、难度大。一旦出现质量安全问题,后果不堪设想。本文对金造桥水库电站水轮机组的蜗壳和座环的安装过程进行了详细的分析,并进行科学的水压试验,总结了一定的工程经验。
  1.工程概况
  金造桥水库电站位于屏南县境内的金造溪上,坝址位于屏南县棠口乡际头村金造桥下游约1km处,厂址位于棠口乡上培村对岸,距屏南县城16km,距福州火车站约200公里。电站装机2台,单机容量为33MW的悬吊式混流式机组。电站设计额定水头为234.0m,机组额定转速500r/min,在国内属于高水头高转速机组的电站。水轮机组设备由克瓦纳(杭州)发电设备有限公司制造,其主要技术参数如表1所示。
  根据金造桥水库电站水轮机的蜗壳和座环结构设计可知,座环为双平板式焊接结构,具有足够的强度和刚度。蜗壳采用可焊性好的低合金结构钢16MnR钢板卷制而成。蜗壳和座环在制造厂内预装焊接,焊缝经过检查、热处理,后再加工。蜗壳和座环在厂内完成3.5MPa的水压试验。为减少蜗壳对混凝土的作用力,尾水锥管四周留有空间,并与尾水肘管为伸缩联接,使座环上下平板的水作用力相互抵消,使蜗壳仅承受水压力,且取消常规电站在蜗壳与混凝土间设置的弹性层。
  2.蜗壳和座环的安装
  2.1.蜗壳座环就位安装流程
  蜗壳座环的重量为25吨,用传统办法,在四个支墩和蜗壳进口法兰处两个支墩上放置楔子板或千斤顶,调整座环的高程、水平,确保座环的轴线与机组X-Y轴线保持一致。蜗壳座环于2005年9月26日到场,9月27日吊装就位,调整蜗壳座环的水平,使水平误差控制在0.04mm/m之内,边对称加固边监测。1#机组蜗壳座环于2005年10月6日安装完毕移交工作面,2#机蜗壳座环于10月7日安装完毕移交土建单位。
  2.2.安装前准备工作
  2.2.1.检验蜗壳座环在运输过程有无损伤以及各零部件的数目。
  2.2.2.检查基础环的尺寸,将其吊装到位后加临时支撑调整,将基础环调整与加固用的基础板安装就位,进行混凝土浇筑。待混凝土浇筑至指定高程后,调整基础环的中心位置并保持水平,调整螺栓并与基础板进行焊接,此后进行蜗壳支墩的浇筑。
  2.2.3.制作座环组合、焊接用支墩,把支墩放置在组装用的基础板上,用槽钢与支墩进行连接,再在支墩上布置用于调整水平的楔子板。
  2.2.4.安装座环基础螺栓,将座环基础螺栓安装于基础环套管内。为了防止螺栓螺纹损伤, 在螺纹处垫胶皮或其他软质材料,在螺栓顶部安装密封胶圈。
  2.3.座环的焊接
  首先进行上下环板的焊接。焊接坡口型式采用双偏 Y式坡口,利用手工电弧焊进行焊接,焊接采用平焊、立焊、仰焊的工位,安排4人对称、分层多道同时焊接。焊接前应先焊接座环组合块上的组合焊缝,同时将引弧板安装于座环上下环板焊缝处。焊接时,先进行组合缝平焊,焊接方向从外到内。在焊至焊接厚度达到30 mm后,停止平焊,开始焊接仰焊,直至焊接厚度达到 30mm,停止仰焊,去除引弧板,分两次焊接立焊,立焊高度与平、仰焊高度平齐,打磨焊道,对焊缝进行外观和磁粉检查,检查完毕,继续焊接平焊,直至平焊完成,再完成仰焊。在热处理完成后,对焊缝进行打磨,同时进行焊缝外观检查和UT检查。其次进行支撑环、斜锥环、坑衬的组合焊缝的手工电弧焊焊接,支撑环的坡口为 Y 型坡口,斜锥环和坑衬为 V 型坡口。
  2.4.蜗壳压缝和焊接
  在座环焊接完成后,对蜗壳进行压缝,采用压板和螺旋千斤顶压缝,蜗壳焊缝坡口采用不对称双V型坡口,蜗壳内侧为小坡口,外侧为大坡口,焊接方式采用手工电弧焊对称焊接。焊接先焊接外侧坡口深度的2/3,再在内侧用电弧气刨进行背缝清根,然后焊接内侧坡口深度的2/3,再对外侧焊缝焊接直至完成,最后完成内侧焊缝。焊接完成后的处理与座环一样。
  2.5.蜗壳座环整体吊装
  在基础环顶面对称布置座环临时支墩,在座环基础环上均匀布置调整水平用的螺旋千斤顶,要求螺旋千斤顶的顶面高程与座环的支撑环底面高程一致,在座环上装上吊具,用桥机将座环整体吊装至临时支墩上,初步调整其中心,以保证基础螺栓能与座环连接。基础螺栓连接完成后,用桥机将座环稍提起一定高度,拆除临时支墩,然后将座环落至螺旋千斤顶上。
  2.6.座环位置调整和基础螺栓拉紧
  用螺栓千斤顶调整座环的高程和水平位置,在座环和基础环上焊接挡块,用螺旋千斤顶调整其中心。座环的基础螺栓上端连接于座环的撑环上,下端靠垫圈和螺母与基础环连接, 中间穿过基础环的套管,座环调整好后,采用液压拉伸装置拉紧,对螺栓进行了拉紧。
  2.7.蜗壳进水口直管段安装
  蜗壳进水口直管段为两节 第一节为凑合节,留有一定的切割余量;第二节一端带有法兰,法兰端与球阀连接,首先挂装第一节,在调整好位置后,按照蜗壳焊接方法进行焊接, 然后挂装第二节,在调整完法兰的位置和法兰垂直度后进行焊接,焊接时,监测法兰的垂直度。   3.蜗壳水压试验
  纵观全国已建成的电站,水轮机蜗壳要求做水压试验的还屈指可数,在福建省内只有周宁电站做过蜗壳水压试验和保压浇注砼。国家颁布的标准《水轮发电机组安装技术规范(GB8564-2003)》,没有做出具体的规定和要求,只提出“蜗壳工地水压试验,按设计要求进行”。本电站的蜗壳水压试验的方法借鉴了国内其他电站的成功的经验。
  3.1.蜗壳水压试验的目的和要求
  蜗壳水压试验的目的:3.1.(1)为了检查现场蜗壳安装焊接质量;3.1.(2)部分消除蜗壳焊缝焊接产生的应力;3.1.(3)测量座环及蜗壳的应力状况,并校核座环、蜗壳设计的合理性;3.1.(4)测量蜗壳水压试验时的膨胀量,同时消除残余变形;3.1.(5)模拟蜗壳在额定工况下,蜗壳受力变形对混凝土产生的影响,并以校核蜗壳外包钢筋的配筋分布。
  蜗壳水压试验的要求:3.1.(1)对水温的要求,如二滩水电站,蜗壳做水压试验时,要求水的温度为16℃时,在蜗壳内还埋设加热装置;三峡左岸厂房蜗壳在混凝土浇注时还要求对水温控制在22℃至28℃之间。但有的电站没有此项要求,如鲁布革、天生桥Ⅱ级,本电站也没有温度要求。3.1.(2)对水压试验压力的要求,蜗壳水压试验的压力值是由厂家设计人员计算确定,一般以工作压力(水锤压力)的1.5倍作为压试验压力,保压的压力取值范围有很大不同,如三峡是0.7倍工作压力保压浇注混凝土,广蓄Ⅰ、Ⅱ级电站是以0.5倍工作压力。本电站的蜗壳水压试验压力为3.5MPa,蜗壳保压回填混凝土压力为1.5至1.8MPa。3.1.(3)蜗壳水压试验分阶段实施,如二滩、天生桥Ⅱ级及广蓄Ⅰ、Ⅱ级电站采用每升一个压力值保压一定的时间,进行检查,没有问题,降压到当时压力值的一半,然后再升至下一个压力值;十三陵抽水蓄能电站的蜗壳水压试验分两个阶段进行,第一次由零升至试验压力10.2MPa,保压30min,然后降至6.8MPa,保压30min,最后水压降至零。本电站的水压试验分成7个阶段,即1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、2.5、1.8,以1.0MPa/min的速度升压或下降,每升或降达到一个压力值,停留30min检查,没有问题,即接着下一个压力段的试验。
  3.2.蜗壳水压试验的准备工作
  蜗壳水压试验的工具包括:闷盖和闷筒。闷盖与蜗壳进口段法兰联接,闷筒安装在顶盖和底环之间,采用可伸缩的结构,与顶盖、底环的接触部位和闷筒两环之间采用密封圈进行密封。蜗壳焊接结束后,座环安装调整到位,清扫蜗壳内的杂物,按照厂家提供的蜗壳水压试验工具,吊装导水机构,调整闷筒的中惊险及密封圈配合紧度,安装闷头。临时封堵蜗壳上测流、测压和顶盖测压孔,接通蜗壳充水管路和设备。布置试验设备和测量仪表,如试压泵、压力表、百分表等,试压泵共设2台,互为备用。
  3.3.测量仪表的布置
  在蜗壳的+X、-Y、+Y轴向的最高和最远处(共8只表),上止漏环的+X、-Y、-X、+Y径向的处(共4只表),上、下止漏环+X、-Y、-X、+Y轴向处(共8只表),闷盖法兰的互为垂直方向布置测量径向和轴向变形(共4只表),以监测蜗壳水压试验过程中蜗壳、座环、导水机构的变形值。压力表安装在蜗壳供水管路上,量程为0~6MPa,2只,互为备用。
  3.4.试压泵的控制
  电动试压泵配置2台,型号4DY-660/10。蜗壳水压试验时,通过人工控制电动试压泵的启停,卸压可利用电动试压泵本体配置的卸压阀来完成。蜗壳保压回填混凝土时,保压的时间为10天,由电接点压力表、中间继电器形成自动控制回路,自动控制电动试压泵的工作,且互为备用。
  3.5.蜗壳水压试验过程
  打开顶盖测压孔的临时丝堵和闷盖上部的排气阀,从闷盖的注水孔向蜗壳注水,待蜗壳内水注满后,静置12h,让水中的气体充分向外溢出,同时检查各部位有无渗漏现象,关闭排气阀,做好各部位的测量原始记录。如前所述,本电站的水压试验没有水温要求,试验分7个阶段实施,由于试验前准备充分,措施到位,参与人员了解试验程序,顺利完成了蜗壳试验。
  根据2号机组蜗壳水压试验全过程的数据记录(表1)所示,扣除测量因素造成的误差,在水压试验压力范围内蜗壳还属于弹性变形,未产生永久的残余变形,说明座环和蜗壳能够满足今后机组运行的要求。同时通过测量顶盖上止漏环和底环下止漏环间的膨胀差值,可以得出的结论是,机组在2.34MPa额定水头工况下,导叶端部间隙会增大0.10mm左右。
  3.6.蜗壳保压回填混凝土
  按照设计人员确定的蜗壳保压的压力值范围为1.5~1.8MPa,因蜗壳保压的工期较长,百分表监视受到很多的外界因素的干扰,必然影响测量数据的准确性,最后选择在顶盖上架设平衡梁,蜗壳混凝土回填浇注时,采用框式水平仪定时进行监测,以控制混凝土的浇注方向和速度。
  4.结 论
  4.1.蜗壳焊接结束后,采用水压试验对蜗壳的焊缝进行检查,并有利于蜗壳焊接焊缝应力的部分消除。
  4.2.采用蜗壳保压浇注混凝土,在蜗壳与混凝土间形成间隙,蜗壳产生水锤力时,蜗壳混凝土只承担部分的应力,简化了蜗壳外层的钢筋配置。
  4.3.通过蜗壳水压试验的测量数据表明,蜗壳向四周膨胀,因此在常规采用弹性垫层的蜗壳,弹性垫层的面积应按设计要求敷设,蜗壳外表面不得随意点焊和钢筋支撑,应严格按照规范和设计图纸要求做,否则都将对蜗壳产生伤害。
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