抽水蓄能电站座环 蜗壳组焊及安装技术

抽水蓄能电站座环/蜗壳组焊及安装技术
周若愚
（中国水利水电第三工程局有限公司，陕西西安 710032）
［摘要］抽水蓄能电站大都具有水头高、容量大、厂房空间小等特点，设备外形尺寸不大且布置紧凑，因此大多数抽水蓄能电站座环/蜗壳采用两瓣结构，在制造厂内整体制造并与导水机构预装后，分解运至现场完成拼装焊接及安装。

本文以世界总装机容量最大的丰宁抽水蓄能电站分瓣座环/蜗壳为例，介绍了抽水蓄能电站座环/蜗壳的组装、焊接及安装等工艺，阐述了抽水蓄能分瓣座环/蜗壳焊缝质量检查及缺陷处理方法；在施工过程中通过采用有效的施工工艺，保证座环/蜗壳的安装精度要求，为抽水蓄能电站分瓣座环/蜗壳现场组焊及安装提供借鉴。

［关键词］抽水蓄能电站；座环/蜗壳；组装焊接；安装；工艺
［中图分类号］TV743 ［文献标识码］B ［文章编号］1001-554X（2021）07-0060-05 Technology for assembly welding and installation of stay ring/spiral case
in pumped storage power station
ZHOU Ruo-yu
丰宁抽水蓄能电站地处河北省承德市丰宁满族自治县境内，距北京市区直线距离180km，距承德市直线距离150k m。

电站总装机容量3600MW，电站分两期开发，一、二期工程装机容量均为1800MW。

其中二期工程安装4台（7号～10号机）单机容量300MW的定速水泵水轮机-发电电动机组，2台（11号、12号机）单机容量300MW的变速水泵水轮机-发电电动机组。

机组间距为24.0m，二期工程水泵水轮机安装高程为EL966.50m。

本文以二期座环/蜗壳为例加以介绍。

丰宁抽水蓄能电站7号～10号座环蜗壳由东方电机厂生产，座环与蜗壳已在厂内焊接为整体（除凑合节与延伸段外）。

座环上、下板材质为S500Q-Z35，上、下过渡段及蜗壳材质为HD610CF高强钢，下围板材质Q235B，下法兰材质Q345B。

蜗壳最大板厚为65mm，蜗壳分22节及3节蜗壳延伸段，共设置2个凑合节，分别为第1节和第12节。

座环与蜗壳焊接（除凑合节与延伸段外）在厂内完成，并提供座环蜗壳工地焊接所要求的全部专用工具、设备以及焊材等。

座环蜗壳焊前预热，焊后应进行后热消氢处理及保温缓冷。

座环蜗壳安装完成并经验收合格后采用专用打压工具打压至设计要求，并保压浇筑外包混凝土。

座环采用双平板式钢板焊接结构，与蜗壳整体分为两瓣到货，由上下环板、固定导叶、鼻端导叶、过渡板、下环筒和下法兰组成。

2个分瓣面由10个M56螺栓把合后在工地进行焊接。

座环最大内径φ5524mm，最大高度1438.60mm（从座环上环板平面至下法兰底部），装配重量为136t。

座环上、下环板采用S500Q-Z35钢材制成，固定导叶为20个。

下环筒设有焊接操作孔和填料灌浆孔及排气孔。

蜗壳底部共14个支墩用于调整及支撑固定蜗壳座环，座环下部有20个支墩用于座环调整及支撑固定，座环下部通过40根M80×6拉紧螺杆将座环固定。

1 座环/蜗壳组装及座环焊接
分瓣座环/蜗壳吊至安装间放置的基础钢支墩
DOI:10.14189/ki.cm1981.2021.07.006
［收稿日期］2021-01-13
［通讯地址］周若愚，重庆市潼南区桂林街道加新新华花园27栋
后，清扫分瓣座环，将各组合面及螺孔、销钉孔清扫干净，不允许有油污、毛刺以及任何高点，对焊接坡口进行PT 探伤。

仔细检查厂内的组装标记，包括固定导叶中心点，X 、Y 基准点，分瓣面编号，固定导叶编号，用红色记号笔清晰标记。

根据出厂标记对座环进行清理，并记录2个分瓣体的外形尺寸，实测座环上、下环板过流面间的开档 距离。

1.1 座环/蜗壳组装
起吊座环蜗壳分瓣1缓慢放置于钢支墩上初步调整并辅以临时支撑，确保其稳固，而后起吊座环蜗壳分瓣2靠拢对装，座环摆放位置与桥机大梁方向一致，即座环蜗壳分瓣组合面平行于桥机轨道梁（钢支墩布置见图1）。

在对装过程中为了防止对合缝钝边造成损伤，应先在放置好的A 瓣座环蜗壳钝边上辅以小木板。

利用楔子板及千斤顶将座环上环板机加工面初步调平，按图纸要求进行分瓣组合。

调整组合好的分瓣座环水平度，保证精度在1mm
以内。

安装间上游侧
2
4
6
9
105
112
15
图1 座环蜗壳安装间组装布置图
1.2 座环/蜗壳调整
在座环/蜗壳上环板机加工面上放置1根横梁，以此环板内面为基准安装求心器支架，并在中心吊钢琴线检查上下镗口的同轴度。

在中心位置架设水准仪检查上、下环板机加工面的水平，使用内径千分尺测量各环面的半径值及圆度值，利用千斤顶和楔子板调整、定位。

所有验收数据经测量满足规范和设计要求后，打紧组合螺栓，对组合螺栓进行点焊固定。

组圆完成后，测量座环各环板同心度、内径、座环水平度。

当所有组装尺寸符合要求并验收合格后进行焊接。

1.3 座环焊接
座环组焊施工，主要为座环2条纵缝的焊接。

座环组合缝焊接采用手工电弧焊。

1.3.1 变形监测
座环组装完成后，测量座环上、下环板内径做记录；用精密水准仪测量上法兰加工面监测座环水平变化情况；测量座环组合焊缝处的收缩变形；测量座环上、下环板垂直度变化值（见图2）。

合缝
测量直径变形
监测水平变化
测量焊接收缩变形水准仪（NA2+GPM3）
E
E D D B B C C A
A F
F G
G H
H
1
2
3
4
5
7
8
910
11
12
13
14
15
16
17
18
19C C D D A
E
E
图2 座环焊接监测示意图
1.3.2 焊前预热及定位焊
由于座环上、下环板、环筒均为较厚的板材，在焊缝位置铺设厂家提供的专用加热设备，上、下环板、固定导叶焊缝前预热温度均不低于
120℃（在距焊接坡口约100mm 处测量）。

焊接前应对各焊缝进行定位焊，定位焊预热温度比正式缝高20℃～30℃，定位焊长度为100～ 150mm ，间隔为300～500mm ，焊缝深度为6～ 8mm 。

定位焊焊接要求与正式焊缝焊接要求相同。

1.3.3 控制变形的措施
控制变形措施：采用分段、退步、对称焊接等方式，通过控制焊接工艺参数、焊接顺序、焊接位置以及加强监测控制变形。

在座环上、下环板上合缝位置对称4个部位距焊缝100mm 处打上样冲眼，并用游标卡尺测量每个合缝处A 、B 、C 、D 和E 、F 、G 、H 点并填写记录表格，要求每瓣座环的合缝处必须测量间隙，在座环上、下环板和下法兰配合面沿圆周方向均布各取20个点，做上相应标记，用于座环焊接时监视 变形。

座环在焊接过程中需监视其变形情况，定时在上环板上测量水平变化情况（水准仪NA2+测微器GPM3测量），利用内径千分尺检测座环径向变化，利用游标卡尺检查座环焊缝收缩情况。

测量座环上、下环板同心度变化值，如果出现异常现象立刻停止焊接，调整焊接速度、焊接顺序等，直至合格为止。

座环焊接完成后重新检查座环上、下环板的水平和上、下镗口半径、同轴度。

1.3.4 焊接工艺参数
焊接工艺参数见表1、2。

表1 GB E6015-G 焊条
焊条直径/mm 电流/A 焊接速度
/（mm/min ）平、横焊
立焊仰焊φ3.290～15080～11080～14060～150φ4.0
130～170
110～140
120～160
60～150
表2 GB E5015焊条
焊条直径
/mm 电流/A 焊接速度
/（mm/min ）平、横焊
立焊仰焊φ3.2mm 90～130
80～12080～12080～150φ4.0mm 140～170
140～160
140～160
100～200
1.3.5 座环焊接
座环的焊接严格按厂家焊接工艺执行，焊接过程中采用4人对称焊的方法，重点控制焊前预热温度、焊接时层间温度、焊后后热温度及后热时间，焊接线能量严格控制在厂家要求的值以下。

座环焊接顺序详见图3。

1
3-14-1
5
6
7
8
3-2
4-2
10
9
2
12
11
1314
图3 座环焊接顺序示意图
（1）上下交替焊接环板1、2、3、4焊缝，根部2道焊缝由内向外焊接，其余各层焊接方向交替相反，至1/2焊量。

接缝1、焊缝2至1/2深度后将座环把合块割除，焊缝3和焊缝4不可同时焊接，必须交替施焊。

焊缝3焊满一层后焊接焊缝4，焊量同样为一层。

按此顺序交替施焊，直至坡口深度1/2。

（2）两侧交替焊接固定导叶5、6焊缝，焊至1/2焊量。

（3）焊接上、下过渡段8、10焊缝，焊接至深度约2/3。

在背面清根，打磨渗碳层直至全部露出金属光泽。

做PT 或MT 探伤检查，合格后背面坡口焊接至深度1/2。

（4）两侧交替焊接下围板、下法兰11、12、13、14焊缝，焊至1/2焊缝。

（5）上下交替焊接环板1、2、3、4焊缝的剩余部分，直至焊满坡口。

（6）两侧交替焊接固定导叶5、6焊缝的剩余部分，直至焊满坡口。

（7）交替焊接7、8、9、10焊缝，直至焊满坡口。

（8）两侧交替焊接下围板、法兰11、12、13、14焊缝，直至焊满坡口。

（9）焊后保温消氢。

2 蜗壳挂装及焊接
2.1 蜗壳凑合节挂装
座环/蜗壳纵缝焊接完成，复查座环平面度合格后，在安装间进行蜗壳凑合节挂装。

调整蜗壳与蜗壳焊缝和过渡段的装配间隙在0～4mm 之间，原则上错牙不大于2mm ，局部错牙最大值应小于蜗壳板厚的10%，且不大于4mm 。

间隙如达不到要求可长焊处理，长焊后打磨焊缝表面并进行PT 探伤。

蜗壳瓦片压缝：蜗壳瓦片压缝错牙不超过3mm ，间隙超过5mm 的需补焊后焊接。

2.2 蜗壳焊接
蜗壳定位焊预热温度比正式缝高20℃～ 30℃。

定位焊缝应焊在清根侧坡口内，方便清根时清除。

在蜗壳装配、焊接过程中临时预热允许使用氧乙炔火焰均匀加热，禁止在蜗壳、过渡段钢板表
面引弧。

在蜗壳装配、焊接过程中临时的搭板、拉筋等采用气割方法清除，不允许锤击打掉。

气割时保证预留3mm余量，仔细修磨切割处，然后进行PT探伤。

蜗壳环缝焊接由2～4名焊工在蜗壳内、外表面分段施焊。

在焊接过程中除第一层和最后一层焊道外，其余各层焊道均进行锤击。

全部焊缝均采用对称、多层多道、分段退焊法焊接，在大坡口侧焊满深度1/2后，背面清根、打磨，经PT或MT探伤合格后，两侧交替对称施焊。

在凑合节与过渡板表面进行临时性焊接施工时，必须严格执行焊前预热处理。

目视检查定位或下层焊缝，任何缺陷如裂纹、气孔必须在焊接正式焊缝前采用气刨或打磨的方法去除。

K型或X型坡口在背缝侧定位焊接，背缝清根时清除定位焊焊缝。

正式焊接时，先焊接凑合节环缝，并于过渡板的“T”形焊缝位置相距约300～400mm位置停焊，而后焊接过渡板位置。

凑合节出水口侧环缝为合拢环缝，属于封闭焊接，应力较大。

打底焊时要采用叠焊，对称施焊，叠焊长度为300～400mm。

打底焊缝接应连续完成，不得间断。

凑合节的纵缝和环缝可以采用与蜗壳其它管节纵缝和环缝相同的焊接工艺措施进行焊接；但凑合节活动侧环缝焊接时，由于蜗壳其它管节已焊接成为一体，因此凑合节活动侧环缝在焊接过程中，其焊缝金属的横向收缩变形是不自由的，应力较大，所以在焊接时，必须采取相应的工艺措施防止产生裂纹。

为此，在凑合节活动侧环缝焊接中，必须采取如图4所示的叠焊打底焊接法和实施锤击消应措施以避免裂纹的产生。

图4 叠焊方法示意图
蜗壳凑合节与座环过渡板的焊接是在所有焊缝焊接完后进行的。

对下过渡板可先进行封底焊，然后从正面清根后一次焊完。

对于上过渡板应先焊正面，然后背缝清根后再进行封底焊。

施焊可由多名焊工对称进行，采用多层多道焊接，每退步分段长度为200～400mm。

每个人的施焊速度应相适应。

焊接过程中，除打底层及盖面层外，均需做锤击处理。

3 座环/蜗壳焊缝质量检查及缺陷处理
（1）座环/蜗壳焊缝质量检查。

座环蜗壳安装焊缝的外观质量应符合厂家技术要求，同时应符合DL/T5070-2011《水轮机金属蜗壳安装焊接工艺导则》中的规定：无损探伤检测应在焊缝焊接完成后并冷却24h后进行。

蜗壳现场安装纵缝及蜗壳和座环过渡板连接焊缝进行100%射线探伤，对所有的环焊缝进行100%超声波探伤。

所有的蜗壳内表面的焊缝均按要求进行打磨，打磨到不凸出表面1.5mm的高度并平滑过渡，对所有焊缝打磨平整后进行100%染色或磁粉探伤。

吊耳、定位板等焊接在蜗壳的临时部件，割除后其残留焊肉也应按上述方法打磨及探伤。

（2）缺陷返修。

对于无损检测发现的内部缺陷采用碳弧气刨或砂轮磨削将缺陷清除并刨成便于焊接的凹槽，不得使用电焊和气割的方法清除。

Ⅰ、Ⅱ类焊缝的返修次数不得超过2次。

超过2次处理应制定可靠的返修工艺，焊接需预热、后热处理的焊缝返修时也需预热、后热处理。

4 座环/蜗壳安装调整
座环/蜗壳在安装间组焊完成后，用主厂房桥机主钩并辅以手拉葫芦调平后整体吊入机坑就位。

蜗壳座环整体吊装见图5。

座环/蜗壳在机坑内安装需进行座环上平面、固定导叶中心、座环下法兰面高程的测量。

测量使用水准仪、钢卷尺或钢板尺检查，绝对高程偏差利用全站仪确定。

调整座环中心与机组中心偏差不大于3mm，并使座环上法兰面X、Y线与机组的X、Y线偏差不大于3mm。

安装顶盖和底环法兰径向水平最高点与最低点之差不超过0.25mm，周向水平最高点与最低点之差不超过0.35mm（测点不应少于20点），座环安装高程与设计偏差不大于±2.5mm。

使用全站仪测量座环/蜗壳中心、方位，调整合格后将所有楔子板打紧。

座环/蜗壳调整完成，混凝土浇筑前预紧拉紧
螺杆，安装蜗壳延伸段及相应附件。

55t
15
1126
1262345
M110×6
M90×6
详图1
见详图1
见详图1
125见详图1
124见详图1
123见详图1
A
A
P 卸扣
额定载荷：≥35t
1∶8
向视图
重心位置重量：101.8t
510
573
图5 蜗壳座环整体吊装示意图
5 结束语
作为世界上总装机容量最大的丰宁抽水蓄能电站座环/蜗壳，其组装、焊接要求严、难度大，结构特点及安装方式与大多抽水蓄能电站座环/蜗壳类似，在安装间组装、焊接，吊装至机坑内整体安装调整；但其组装、焊接及安装工艺体现了较多的创新点，同时总结了高强度钢座环/蜗壳的变形、控制焊缝质量检查及对缺陷的处理安装 要点。

对于高水头、高转速的抽水蓄能电站，作为整个机组的基础，座环/蜗壳的组装、焊接及安装质量会直接影响机组的安装质量及稳定运行，在施工过程中通过采用合理有效的施工工艺，保证座环/蜗壳的组装及焊接精度至关重要。

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