立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》是中國水利水電第七工程局、河海大學完成的建築類施工工法，完成人是趙顯忠、程雲山、覃國茂、陳宇、張德虎。該工法適用於立軸衝擊式水輪機分段運輸工地組焊式配水環管的安裝。

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》主要的工法特點是：安裝精度高；各參數的調整順序、預留量的設定、焊接變形控制；脈動打壓和配水環管排氣都是新採用的新方法。

2008年1月31日，《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2005-2006年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法
• 工法編號：YJGF315-2006
• 完成單位：中國水利水電第七工程局、河海大學
• 主要完成人：趙顯忠、程雲山、覃國茂、陳宇、張德虎
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：2005-2006年度國家二級工法

形成原因

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》主要套用於立軸衝擊式機組配水環管安裝。中國水利水電第七工程局機電安裝分局在冶勒電站衝擊式機組安裝中實施安裝工法成功解決了（2005年前）亞洲容量最大、噴嘴數最多的高水頭大容量衝擊式水輪發電機組配水環管的安裝難題。

工法特點

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的工法特點是：

一、配水環管安裝調整採用噴嘴法蘭的高程、中心及垂直度、噴嘴法蘭間距、噴嘴法蘭和配水環管進水口法蘭至機組中心的距離以及配水環管間環縫錯牙等多參數的聯合控制方法，使各噴嘴的法蘭中心線在同一個切圓上，安裝精度高；各參數的調整順序、預留量的設定、焊接變形控制；脈動打壓和配水環管排氣都是中國最新採用的新方法。

二、申請了配水環管排氣裝置國家實用新型專利，擁有自主智慧財產權。

操作原理

適用範圍

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》適用於立軸衝擊式水輪機分段運輸工地組焊式配水環管的安裝。

工藝原理

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的工藝原理敘述如下：

一、通過機組X、Y軸線及中心線高程點控制配水環管各法蘭面的中心位置；通過鉛垂線，水平方位線控制配水環管各法蘭面的方位角度。

二、通過焊接定位板及預留間隙控制和合理的焊接工藝方法控制配水環管的節間環縫焊接變形。

三、通過脈動式水壓試驗，有效地消除配水環管的焊接應力並檢驗強度。

施工工藝

• 工藝流程

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的工藝流程見下圖。

工藝流程圖

操作要點

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的操作要點如下：

一、配水環管安裝

配水環管的安裝調整是埋件安裝過程中的一個重點，安裝質量直接關係到機組最後的安裝質量。配水環管在製造廠家焊接預裝完成，分節運至工地組焊安裝。下面以六噴嘴分四節運至工地拼焊組裝的配水環管的安裝為例進行敘述。

1.六噴嘴配水環管的安裝調整

配水環管安裝調整的重點為噴嘴法蘭的高程、中心及垂直度、噴嘴法蘭間距、噴嘴法蘭和配水環管進水口法蘭至機組中心的距離以及配水環管間環縫錯牙等多參數的聯合控制，以及各參數的調整順序、預留量的設定和焊接變形的控制。第一節含進水口法蘭和1號噴嘴法蘭，第二節為2號噴嘴段，第三節為3號、4號噴嘴段，第四節為5號、6號噴嘴段。在中部轉輪室安裝完成後進行四節配水環管的吊裝、調整、焊接、探傷以及壓力試驗，並進行保壓澆築混凝土。

（1）測量放線：在配水環管吊入機坑以前要先對測量調整的基準線進行布置。測量基準線包括：

①進水口法蘭調整基準線：一條進水法蘭的橫軸線，一條進水法蘭的縱軸線；②機組的X、Y軸線；③各法蘭的垂直度檢查線；④機組中心線：於平水柵正中間製作塔形支撐架，用求心器掛出機組的中心線，用以測量噴嘴法蘭到機組中心的距離；⑤噴嘴法蘭平面的中心點：作為調整測量配水環管法蘭的基準點，如下圖所示。

噴嘴法蘭平面的中心點

（2）安裝調整程式：先調第1節、同時調第2、3節，兩條合縫焊接，最後進行第4節的調整和焊接。調整順序為先法蘭高程、再調法蘭至機組的中心距離、然後調各法蘭相互的間距，最後調整法蘭的垂直度。

（3）安裝誤差及預留量

①配水環管安裝調整時，各噴嘴支撐法蘭及進水法蘭到機組中心線的距離、兩相鄰法蘭中心點的距離應考慮焊接收縮量，法蘭高程及法蘭垂直度應考慮試壓悶頭安裝及環管充水後的下沉量，具體數值由製造廠及安裝單位商定後報監理人批准。

②配水環管焊接後對於每一個法蘭應檢查高程、相對機組坐標線的水平距離、每個法蘭相互之間的距離、垂直度、孔的角度位置，使偏差符合設計要求。整體布置如下圖所示。

配水環管整體布置圖

（4）安裝調整操作要點

①第1節調整：粗調進口法蘭7的高程、到軸線的距離、縱軸線的中心，噴嘴法蘭1的高程、到機組中心線的距離；再調進口法蘭7和橫軸線的平行度。主要調整工具為葫蘆、千斤頂、拉緊器。然後精確調整高程、垂直度、距離、平行度等，各項指標需同時滿足要求，進口法蘭到X線的距離考慮+1~+2毫米的焊接收縮量。法蘭角度，通過計算出的法蘭左右兩點的坐標值來確定。調整結束後，用角鋼等將第1節進行固定。水輪機配水環管第一節調整圖見下圖。

水輪機配水環管第一節調整圖

②第2、3節同時調整：調整各法蘭的高程、垂直度，各法蘭中心點到機組中心線的距離，然後調整1、2號噴嘴法蘭的間距，2、3號噴嘴法蘭的間距，合縫之間留出2~3毫米的焊接縫隙。角度調整：第3節的3、4號噴嘴法蘭在上述距離調整合格後，角度則已固定；在第3節調整好之後，第2節法蘭的角度通過調整與第1節和第3節的合縫錯牙來保證；最後通過計算出的法蘭左右兩點的坐標值，進行校核。法蘭垂直度，通過各支腿的調整螺栓進行調整。最後進行各參數的精調校核，調整合格後，用角鋼等將配水環管固定；各焊縫用4塊300×200×24的鋼板焊接定位，該鋼板材質應與配水環管類似，焊接工作結束後刨除並打磨。水輪機配水環管第二、三節調整圖見下圖。

水輪機配水環管第二、三節調整圖

③複查第1、2、3節各數據合格，加固措施符合要求後進行合縫1、合縫2兩條環縫的焊接。

④第四節的調整方法與前三節一樣，最後精調定位在第一、二條合縫的正縫焊接結束後進行。

2.配水環管焊接及變形監控

配水環管材質一般為高強鋼，焊條應按製造廠要求或有關規範選用，焊縫兩側300毫米區域內按製造廠要求預熱和後熱。焊縫為1級，在保證焊縫質量的同時，須控制好變形量，保證各法蘭的最終尺寸。先焊合縫1/2（第1節和第2節之間的合縫），再2/3，最後焊3/4。

焊接變形監控：調整完成後先採用定位板對配水環管進行定位焊，選用較小的焊接線能量施焊，並儘量降低層間溫度（≤250攝氏度），由4名焊工進行對稱等速焊接，採用分段退步與多層多道（4~5）焊的方式。對局部大縫，先進行堆焊再作封底，嚴禁左右擺動拉弧封底，以免產生較大的收縮應力。焊接時焊條擺弧小於4倍焊條直徑，每一段焊接高度達到板厚的1/3時換下一段。焊接過程中架設百分表監測，並根據監測結果調整焊接順序和焊接電流。當焊完上一條合縫後，檢查各法蘭尺寸，必要時對後一節再作微調。

二、配水環管壓力試驗及保壓澆築混凝土

1.配水環管壓力試驗（見下圖）

冶勒水電站水輪機配水環管水壓試驗程式圖

配水環管安裝焊接完成並對所有焊縫進行100%超音波探傷檢查後，安裝所有噴嘴法蘭與進水口法蘭悶頭，開始對配水環管進行脈動水壓試驗。試驗按製造廠技術要求進行，一般分21個步驟進行升壓、保壓、降壓，最高壓力時保持1小時；試驗過程做好詳細記錄：壓力值、時間、配水環管的變形值等。變形監測：脈動水壓試驗時，需用百分表對配水環管進行監測，每個法蘭的垂直方向架1塊表，配水環管外圍圓周均布4塊表，頂部架塊百分表，6號噴嘴法蘭的水平方向架1塊表。

在進行配水環管脈動式水壓試驗時，由於噴嘴的叉管的最高處位置高於配水環管進水口後上方的排氣口位置，使得空氣在叉管處的最高處大量聚集，而空氣的可壓縮性很大，因此水壓試驗時叉管的最高處無法充滿水，這就勢必會增加水壓試驗的難度，延長升壓時間，使保壓情況不真實，難以觀察微小滲漏。為了解決配水環管排氣的問題，專門設計了配水環管排氣裝置。排氣裝置由置於配水環管中的一根排氣軟管和串接在排氣軟管上且與各噴嘴叉管最高處對應的三通管組成，所述的排氣軟管一端與配水環管的排氣口連線，另一端為盲管，所述的三通管的支端與對應叉管最高處通過點焊固定連線。行配水環管水壓試驗時，當水充到叉管最高處時，殘餘空氣被壓縮進入三通管的支端並通過排氣軟管經配水環管的排氣口排出，當配水環管的排氣口向外溢水時，關閉排氣口球閥，該時，殘餘空氣基本被排出，配水環管中充滿水，保證水壓試驗能夠順利進行。試驗後排水使壓力降到0兆帕，檢查各法蘭有無永久變形，複查各法蘭的參數都符合要求，（若有必要應進行微調），然後加固定位。

2.保壓澆築混凝土

混凝土澆築過程前需使配水環管產生適量的預膨脹。該壓力值製造廠或設計單位提供，在澆筑前將配水環管升壓到所需壓力值。

變形監測：混凝土澆築過程中，需用百分表對配水環管進行監測，每個法蘭的垂直方向架1塊表，頂部架3塊百分表，6號噴嘴法蘭的平行方向架1塊表。混凝土澆築對稱進行，隨著混凝土澆築和凝固，溫度也會發生變化，壓力相應變化。在混凝土澆築過程中，通過減壓和升壓使配水環管內水壓始終保持在5±0.5兆帕範圍內，並注意監視各法蘭的變形情況以便調整和控制澆築速度和方位。混凝土強度達70%後，排除水壓。

材料設備

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的主要設備見下表。

質量控制

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的質量控制要求如下：

施工前，根據工程實際條件，組織工程技術人員反覆認真討論研究，確立一套適合的技術措施和工藝流程，細到每一個環節，都制定相應的技術質量控制和檢查驗收標準，採用“三三制”的控制措施，即“三階段”控制、“三檢制”控制從技術上對工程施工質量作出保證。

“三階段”控制是指“預控”、“程控”和“終控”。“預控”為事前控制，即在每項大的工程子項目開始前，組織對施工進度計畫和施工技術措施進行審批，檢查質量保證體系、技術措施是否真正落實，並組織對施工人員進行技術交底，對於重點部位還要求設計和監理單位參加技術交底。“程控”即施工過程中的質量監控，是“三階段”控制中的重點和核心內容，主要通過採用巡視平行檢驗和盯點等方式對施工質量進行監控。巡視檢查重在及時發現問題並進行處理，堅決不把質量隱患帶入下一道施工程式。對於重點部位和時段，則以日報形式及時通報各方，對關鍵工序，均採用現場盯點的監控方式，以確保施工質量。“終控”即為事後總結控制，通過對施工工藝、施工方法以及施工過程中存在問題的檢查和總結，及時改進施工方法以利後續施工。“三檢制”控制完善自身的質量檢驗制度，對單元工程首先進行內部“自檢”，實行“三檢制”即施工人員初檢、技術人員復檢、質量安全部終檢。檢查合格後，由質量安全部門組織監理單位驗收。

一、施工遵照執行的技術標準

對於中國國外進口設備，應按照中國國外廠商要求的技術規範、標準和IEC標準等進行安裝、調試及驗收。對於中國設備，遵照國家和部頒布的所有技術規範、規程、標準進行安裝、調試及驗收。當國家或部頒的標準及規範作出修改補充時，則以修改後的新標準及規範為準。若標準之間出現矛盾時，以高標準為準。

二、關鍵工序質量要求

引水管路法蘭的高程、中心、垂直度以及引水管法蘭與機組橫軸線平行度符合設計、廠家、國家標準要求；分流管的法蘭焊接時，應控制和檢查法蘭的變形情況，不應產生有害變形；分流管焊接後，對於每一個法蘭應檢查高程、相對機組坐標線的水平距離、每個法蘭相互之間的距離、垂直度、孔的角度位置，使偏差符合設計要求；配水環管進行水壓試驗應符合製造廠、設計要求。

安全措施

採用《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

從安全體系、安全措施、安全管理制度上實現工程的安全生產管理，首先從思想上認識安全生產的重要性和緊迫性，制定了安全工作目標，制定安全考核和獎懲辦法，與主要施工負責人員簽訂安全考核指標；從安全技術上、措施上、制度上、人員上嚴把安全關，加大人力、物力、財力的投入，牢牢把握住重點、高危作業部位的安全防護；每月進行一次安全檢查，對施工環節存在的安全問題，提出整改意見並要求限期落實；提高了工程參建人員安全意識，增強了安全責任。

環保措施

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的環保措施如下：

在施工過程中，嚴格遵守中國國家和地方的有關環境保護的法規和規章以及契約的有關規定，並對違反環境保護的法規和規章以及契約的有關規定所造成的環境及人員和財產損失負全部責任。在施工前，對施工人員進行保護環境的教育，並在施工中堅持做到保護環境，保持生產、生活區域內整潔、衛生。在施工過程中採取有效措施，注意保護飲用水源不因施工活動造成污染。為了保持施工區的環境衛生，在工地現場設定足夠的臨時衛生設備，及時清理垃圾，並運至監理單位或業主指定的地點進行堆放或處理。

採用先進的設備和技術，努力降低噪聲，控制粉塵和廢氣濃度以及做好廢水的治理和排放。在工程施工過程中，合理地保持施工場地不出現不必要的障礙，合理布置存放設備及多餘材料，及時從現場清除所有垃圾及不再需要的臨時設施。防止任意堆放器材、雜物阻塞工作場地周圍的通道和破壞環境。

效益分析

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的效益分析如下：

一、配水環管的安裝堅持用科學的方法指導生產，通過最佳化施工，配水環管安裝的成本得到了有效的控制，效果顯著。

二、根據冶勒水電站配水環管安裝的現場跟蹤、檢測、驗收、運行證明了配水環管安裝質量滿足規程規範和廠家有關技術標準，部分項目安裝質量標準還高於國標和廠家標準要求，實現了配水環管的設計性能，為機組長期、安全運行，延長機組使用壽命和檢修周期打下了堅實的基礎，收益明顯。

套用實例

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》的套用實例如下：

冶勒電站位於四川省南椏河上游，是南椏河梯級開發的龍頭電站，大壩位於冕寧縣冶勒鄉。電站總裝機2×120兆瓦，機組為法國ALSTOM公司設計製造。冶勒電站為6噴嘴立軸衝擊式機組，水輪機單機最大出力136兆瓦，設計最大水頭644.8米，額定轉速375轉/分鐘，額定流量23.62立方米/秒，轉輪最大直徑3.346米，射流切圓直徑2.6米，20個水斗，是2005年前亞洲容量最大、噴嘴數最多的高水頭大容量衝擊式水輪發電機組，發電機結構形式為立軸懸吊式機組，上機架為承重機架，推力軸承與上導軸承共用一個油槽，推力軸承採用無支柱螺栓的剛性支承結構。發電機額定容量為133.33兆伏安，額定轉速375轉/分鐘，發電機冷卻方式為密閉徑向循環空氣冷卻，勵磁方式為自並勵可控矽靜止，制動方式為機械和電氣聯合制動。

發電機出口電壓13.8千伏，發電機出口設斷路器經槽形鋁母線引至洞外變電站，通過SFP9-H-150000/220變壓器2回出線向系統送電。衝擊式機組，尾水為無壓流，布置相對較簡單，廠房尾水由二條尾水支洞經2扇閘門後匯流成尾水主洞，主洞長287.15米，主洞出口後接尾水明渠。工程施工時間為2003年4月至2005年12月。

冶勒水電站1號機組於2005年9月15日首次啟動試運轉，11月16日15點35分進入72小時試運行，11月19日15點35分結束，然後正式投入商業運行。研究制定的水輪機配水環管安裝調整和焊接變形監控技術、脈動水壓試驗、配水環管防變形設施和保壓澆築混凝土等一整套先進的施工措施及發明的配水環管排氣裝置，成功地保證了配水環管的安裝精度；申請了配水環管排氣裝置國家實用新型專利，擁有自主智慧財產權。

法蘭到機組中心線的距離偏差廠家要求為±3毫米，實際控制為+2毫米，法蘭相互間距按+2~+4毫米調整；法蘭高程廠家要求為+2毫米，實際控制為+1毫米，法蘭垂直度廠家要求為±2毫米，實際控制為下口上仰+0.5毫米，還控制了進口段法蘭的垂直度，不大於0.30毫米/米。

事實證明：中國水利水電第七工程局機電安裝分局安裝的冶勒水電站120兆瓦機組質量優良，運行指標均符合或優於設計及規範要求，實現了機組運行穩定、安全、可靠的預期目標，表明了《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》是成熟、可靠的。

榮譽表彰

《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》於2006年通過集團公司、四川省科技廳組織的科技成果鑑定，榮獲集團公司、工程局科技進步一等獎，中國電力科學技術三等獎。

2008年1月31日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2008]22號”檔案發布《關於公布2005-2006年度國家級工法的通知》，《立軸多噴嘴衝擊式水輪機配水環管安裝工法》被評定為2005-2006年度國家二級工法。