周若愚

（中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局，陜西西安 710032）

大型混流式水輪機座環(huán)安裝與焊接工藝

周若愚

（中國水利水電第三工程局有限公司制造安裝分局，陜西西安 710032）

根據金沙江魯地拉電站座環(huán)特點，介紹了其安裝、調整、焊接及機械加工等工藝，闡述了座環(huán)安裝過程的質量控制難點、重點；并總結了存在的問題及處理方法，從而使其安裝質量達到設計和規(guī)范的要求，以期為類似大型混流式水輪機座環(huán)現場組焊及安裝提供借鑒。

魯地拉電站；座環(huán)安裝；焊接工藝；機械加工

大型混流式水輪機座環(huán)一般采用平板結構，具有外形尺寸大、重量大以及環(huán)板厚度厚等特點。一般由兩塊環(huán)形部件與若干片固定導葉組成，構成從蝸殼到導水機構間通道的結構部件，座環(huán)有支撐與承受上部機墩及機組重 量、蝸殼內水壓力及水輪機軸向水推力等的作用，并將它們傳遞到廠房混凝土基礎。

魯地拉水電站座環(huán)由東電制造，由上下環(huán)板、固定導葉、過渡板、導流板、底板、上法蘭板組成，采用鋼板焊接制成，分4瓣運輸至工地，現場組合、焊接與安裝。作為底環(huán)及導水機構的支承，座環(huán)設有轉輪、底環(huán)與頂蓋支撐平面。座環(huán)上下環(huán)板采用ASTM A516M Gr485-Z25抗撕裂優(yōu)質鋼板焊接制成，其厚度為 170mm，座環(huán)底板和立圈材質為 Q345C，焊縫坡口為不對稱 X型坡口；固定導葉采用 ASTM A516MGr485制作，過渡板采用ADB610D制作，其中固定導葉有24個，其中心線安裝高程1124.0m，座環(huán)組裝后座環(huán)最大外徑Φ10500mm，高度3730mm，總重量為165.7t。魯地拉電站座環(huán)結構見圖1。

蝸殼尾部及大舌板均在廠內焊在座環(huán)上，與座環(huán)一起在廠內進行退火，并在工廠整體預裝。座環(huán)各分瓣件的組合面進行精加工，并配有錐形定位銷和帶有鉆好孔的連接法蘭。座環(huán)分瓣面處過渡板(上下各4塊)已在車間預裝配割并開好坡口，在工地待座環(huán)分瓣面焊縫焊接完成后進行安裝與焊接。在座環(huán)與頂蓋、底環(huán)、固定止漏環(huán)、轉輪等配合面留 3～5mm的加工余量，澆注混凝土后，工地進行上述配合面的加工。

魯地拉電站座環(huán)具有大型混流式水輪機座環(huán)的明顯特征，魯地拉電站座環(huán)的成功安裝，其現場組焊、安裝技術為后續(xù)大型混流式水輪機座環(huán)安裝提供了有益的借鑒和指導。

1 施工準備

（1）二期混凝土澆筑完畢形成座環(huán)安裝支墩，養(yǎng)生到70%強度。

（2） 校核座環(huán)基礎板水平（≤1mm/m）、方位（≤10mm）與高程（-5mm，0）合格。

（3）對壓力鋼管安裝基準點與廠房坐標基準點進行校核，確認兩者偏差在范圍內。焊接座環(huán)安裝用線架，用全站儀放出座環(huán)安裝的基準線（X、Y軸線）；并將座環(huán)安裝高程基準點放在適當位置，加以保護。

（4）編制施工技術措施、安全防護措施和質量控制措施，對所有參加座環(huán)安裝的作業(yè)人員進行技術交底。熟練掌握座環(huán)的結構特點、技術要求、裝配程序、質量標準等。

2 座環(huán)拼裝

分瓣座環(huán)運至主廠房安裝間工位后，清掃、檢查各組合面焊縫坡口面及坡口兩側各 50mm范圍內的鐵銹、毛剌、氧化皮等雜物，直至露出金屬光澤，滿足焊縫焊接的要求；打磨與基礎環(huán)焊縫油漆。

打磨、清掃完成后，利用廠房橋機將+Y方向的座環(huán)第一瓣體（帶舌板）吊起并粗調其水平，放置于相應的座環(huán)鋼支墩上。用千斤頂初步調整該座環(huán)瓣體的水平；在第一瓣座環(huán)初步調整完成以后，將第二瓣座環(huán)瓣體（+X方向）吊起并粗調其水平，吊至已準備好的鋼支墩上，用千斤頂調整該瓣座環(huán)瓣體與前一瓣體對齊，調整到兩瓣體分瓣面組合孔基本不錯牙時，裝入相應的組合螺柱M56×360、墊圈56，并擰上相應的螺母M56，對稱均勻擰緊螺母M56，同時測量座環(huán)分瓣面的間隙、錯牙。根據分瓣面的間隙情況、錯牙情況，調整組合螺母的擰緊順序，當調整到兩瓣座環(huán)分瓣面銷套孔基本不錯牙時，裝入相應的Ф50圓柱銷。

依照上面的步驟依次順時針吊裝并組裝其余的座環(huán)瓣體。座環(huán)分瓣瓣體組裝完成后，按照要求把緊M56組合螺栓。測量座環(huán)水平、圓度、上下環(huán)板同軸度，滿足設計要求；實測座環(huán)上、下環(huán)板過流面間的開檔距離，校核標記于相應的固定導葉上來作為固定導葉的安裝中心線，此中心線將確定機組的安裝高程。

3 座環(huán)焊接

3.1 焊接參數

座環(huán)的焊接采用手工電弧焊，層間溫度≤200℃；擺動寬度≤3倍焊條直徑；E5015焊條：最大焊接線能量≤42KJ/cm；CHE62CFLH焊條：最大焊接線能量≤30KJ/cm；手工焊焊接速度：3～8cm/min。

用電加熱器預熱待焊區(qū)及其鄰近區(qū)域，使得待焊區(qū)域及其附近100mm范圍內達到120℃，并在整個焊接過程中不低于預熱溫度。

焊接電流、電壓見表1、2、3。

3.2 焊接順序

整個座環(huán)焊縫焊接順序為①→②→③→④,見圖 1。單條焊縫焊接順序：正縫焊接 50%→背縫清根、打磨、探傷→背縫焊接50%→正縫焊接100%→背縫焊接100%。

3.3 焊接工藝

為減少座環(huán)在安裝間工位占用時間，座環(huán)在安裝間拼裝完成后時，只對座環(huán)上下環(huán)板、底板及立圈進行焊接，其余焊縫在座環(huán)吊至機坑調整完成后再進行焊接。

上下環(huán)板焊接時，采用對稱分段退步焊、窄道焊工藝。由4名焊工上下對稱進行焊接，每層焊縫之間的接頭應錯開至少20mm。先進行焊縫坡口打底焊，焊接上環(huán)板正面、下環(huán)板背面坡口（坡口形式見圖 2）一定量（35～45mm）后，清根，再焊接上環(huán)板背面、下環(huán)板正面坡口一定量，如此交替焊接直至坡口填滿。按照上下環(huán)板工藝焊接座環(huán)底板及立圈。焊接完成并冷卻至常溫 24h后，按照 ASME標準對座環(huán)焊縫做UT探傷。

4 座環(huán)安裝

4.1 基礎環(huán)吊裝

在座環(huán)吊裝前，將分瓣的錐管湊合節(jié)及拼焊好的基礎環(huán)整體吊入機坑就位，湊合節(jié)按安裝位置分開放置于錐管支撐四周，基礎環(huán)放置于錐管管口上，并用四個千斤頂對基礎環(huán)對稱支撐。為防止對座環(huán)的吊裝造成影響，基礎環(huán)的放置高程比設計高程低約50mm。

4.2 座環(huán)吊裝

座環(huán)吊裝前，在座環(huán)支墩均勻的方向布置四個100t千斤頂，用廠房550t橋機整體吊裝座環(huán)就位于機坑已布置好的支墩上。調整千斤頂將座環(huán)整體頂起，調整楔子板的頂面高程比實際需要高程低3～5mm，調整座環(huán)千斤頂的頂面高程比實際需要高程低3～5mm。

根據校核的各固定導葉中心點確定出固定導葉中心平面。調整千斤頂，使座環(huán)固定導葉中心平面的高程與設計值的偏差應不超過±3mm。標記的座環(huán)中心線與座環(huán)上、下環(huán)板法蘭面原則上相互平行的三個平面。在座環(huán)中心線的高程、水平調整合格后，復測座環(huán)上、下環(huán)板法蘭面的水平。

根據預設機組基準線X、Y標點掛十字鋼琴線，利用拉筋、千斤頂等工具調整座環(huán)的中心及方位。使座環(huán)上法蘭面上的X、Y標記與十字鋼琴線重合，單個值的偏差應不超過±4mm，平均值的偏差應不超過±3mm。

座環(huán)的高程、水平、中心及方位調整完成后，測量座環(huán)上、下密封面的圓度；測量座環(huán)上、下密封面的同軸度。座環(huán)上、下密封面的圓度應不超過2mm；座環(huán)的同軸度應不超過2mm。必要時應重新調整座環(huán)的水平。測量座環(huán)上法蘭面到座環(huán)下法蘭面的距離；測量座環(huán)上、下環(huán)板間的開檔距離。

座環(huán)的高程、水平、中心及方位調整合格后，同時座環(huán)的同軸度檢查合格后，將相應的楔子板打緊；將相應的座環(huán)千斤頂預緊。其后取出相應的調整用的千斤頂，按設計要求將相應的地腳螺栓預緊到設計值。地腳螺栓把緊后，復查座環(huán)的中心、方位及座環(huán)中心線的高程、水平，復查座環(huán)的同軸度，應滿足相應的要求。并按要求將座環(huán)地腳螺栓圓螺母與相應的座環(huán)底座及基礎板點焊固定。

4.3 附件安裝

座環(huán)調整完成后，按照要求裝配過渡板、導流板、導葉集水盒等附件，并按照要求對座環(huán)進行加固。過渡板安裝時，過流面錯牙應不超過 3mm，局部錯牙大于3mm且不可調整的部位，對于過流面，應采用1:4的焊縫過渡；對于非過流面，應采用1:3的焊縫過渡。檢查過渡板組合縫的間隙，對于間隙大于4mm的部位應采用先長焊的把法來處理直至間隙不大于4mm為止。

過渡板組合縫焊接完成后，將過渡板過流面焊縫打磨光滑。對過渡板所有焊縫做探傷檢查。

5 座環(huán)加工

為保證座環(huán)安裝質量，在整個機坑混凝土澆注養(yǎng)護合格后，將座環(huán)、機坑里襯清理干凈。按相應的座環(huán)加工工具圖安裝座環(huán)加工工具，以座環(huán)下鏜口中心為基準同時兼顧座環(huán)上鏜口中心調整座環(huán)加工工具，座環(huán)加工工具的回轉中心應與座環(huán)下鏜口同心，偏差應小于0.10mm。調整座環(huán)加工工具回轉中心垂直，座環(huán)加工工具回轉一周，其轉臂的高程差應不大于0.05mm。

座環(huán)加工工具安裝合格后，首先對底環(huán)安裝面進行加工，直至從固定導葉中心線到該加工平面距離滿足圖紙要求，其平面度在周向應不大于0.30mm，徑向應不大于0.20mm。

加工時，每個面加工都是由最高點開始，開始進刀時不得過大，待所有座環(huán)或基礎環(huán)上面都被加工有金屬光澤時，便可以加大加工進刀量，但每進一次刀均應檢查該面的高程、水平或圓度。加工到只剩1mm左右時，每次進刀不得大于0.20mm，同時每次仍需要檢查該面的高程、水平或圓度。

對座環(huán)下鏜口及上鏜口進行加工，加工后的直徑應滿足圖紙要求，上下鏜口同軸度應不大于1mm。

對座環(huán)上平面進行加工，考慮到座環(huán)下沉導致導葉端面間隙減小，加工后該平面到底環(huán)安裝面距離應比設計要求值大 0.30mm左右，同時該平面的平面度在周向應不大于 0.30mm，徑向應不大于0.20mm。另外，該平面與底環(huán)安裝面的平行度應不大于0.20mm。

6 座環(huán)安裝的重點及難點

6.1 座環(huán)焊接過程控制

在座環(huán)焊縫焊接時，主要是上下環(huán)板的焊接過程中，每班施焊前，必須先用水準儀測量上下環(huán)板和各層法蘭面的平度；當變形超過0.5mm時，應調整焊接順序，從而控制焊接變形。

應根據變形情況改變焊接順序以減少變形，必要時應中斷焊接，待焊縫在石棉被覆蓋下緩慢冷卻至與環(huán)境溫度一致時，測量座環(huán)上、下法蘭面的水平度；測量座環(huán)上、下密封面的圓度，從而調整焊接順序。

同時應注意以下幾點。

（1）如坡口根部不易施焊可將破口兩側適當加寬約 3mm，但根部不能摳穿，并進行打磨和 PT探傷。

（2）采用Ф3.2焊條進行根部焊接，焊接30mm厚進行背部焊接，根部焊接采用Ф3.2，從根部焊接20mm以上，除第一層采用多道焊，采用Ф4.0焊接第二道焊縫。

（3）兩把合快接觸面間開槽焊接加固，并在環(huán)板上增加搭板。

（4）焊接時，焊道分布為先兩邊后中間。

（5）底板和立圈焊縫采用 30-36mm搭板，立圈焊縫應多錘擊焊縫。

6.2 座環(huán)安裝尺寸控制

在座環(huán)安裝調整時，應注意以下兩點。

（1）由于座環(huán)水平、中心、方位調整時必定會相互影響，因此，調整工作必定會反復進行多次才能滿足上述要求。應該先調整容易滿足的，其次是難一點，以此類推。先調整座環(huán)中心、方位，再調整座環(huán)中心線水平。

（2）如果在座環(huán)的中心、方位調整時，座環(huán)上法蘭面上 X、Y標記與十字鋼琴線的偏差很難同時滿足時，此時應首先保證Y標記與鋼琴線重合，其次保證X標記與鋼琴線重合。

7 結 語

魯地拉電站座環(huán)外形尺寸、重量較大，環(huán)板較厚，同時座環(huán)也支撐與承受上部機墩及機組重量、蝸殼內水壓力及水輪機軸向水推力等作用，且安裝、焊接難度大，對安裝、焊接工藝應嚴格執(zhí)行，尤其是座環(huán)的焊接施工是關鍵環(huán)節(jié)。

魯地拉電站座環(huán)的安裝，形成了一整套完整的大型混流式水輪機座環(huán)現場組焊及安裝工藝和方法，4#、5#、6#座環(huán)的安裝工期比1#、2#、3#座環(huán)平均縮短了 25天，其成熟、完善的安裝及焊接工藝，為后續(xù)建設的大型混流式電站的座環(huán)安裝提供了有益的借鑒和指導。

[1] 李文,何曉昱.淺談積石峽電站水輪機座環(huán)焊接[J].四川水力發(fā)電.2011年03期

[2] 李紅春.三峽左岸電站阿爾斯通機組座環(huán)安裝與焊接工藝簡介.水電站機電技術.2001年02期

10.3969/j.issn.1008-1305.2014.01.021

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B

1008-1305（2014）01-0065-04

周若愚（1983年-），男，工程師。