座环与蜗壳分析

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 casein pumped storage power stationZHOU 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。

水电站混凝土蜗壳设计探析摘要：水电站为了提高运行稳定性、增加经济效益，经常会对混凝土蜗壳展开有效设计。

本文将从某水电站的工程概况出发，对其混凝土蜗壳的设计进行分析与探究，希望为相关人员提供一些帮助和建议，更好地设计水电站的蜗壳。

关键词：蜗壳设计；混凝土蜗壳；水电站引言在水轮机中，蜗壳是十分重要的一个过流部件，设计的蜗壳质量高低会对水电机组整体工作效率产生直接影响，并且关系到水电站布置的科学性与合理性，这要求水电站应结合自身实际情况，寻找设计混凝土蜗壳的依据，展开有效的蜗壳设计。

因此，研究设计混凝土蜗壳的策略具有一定现实意义。

一、工程概况某水电站安装了300MW水轮发电混流式机组，共计六台，安装的水轮机高程是128米，水头设计为113米，额定转速为每分钟106r，额定流量是每秒295立方米，额定出力为305MW，直径为6米。

其蜗壳的进口直径是7.3米，甩负荷压力的最大值是1.91兆帕，静水压力最大值为1.39兆帕。

水电站中的一些机组设备通过世界银行进行贷款，借助国际招标工作，最终由相关企业承包并建造。

在该水电站中，水轮发电的机组主要通过下机架进行支承，并将软垫层敷设于钢蜗壳的外部。

所有内水的压力都能被钢蜗壳承担，内水压力的设计值是1.92兆帕，蜗壳混凝土结构仅能够承受楼板、水轮发电机等上部结构产生的重力荷载。

二、水电站机组的荷载按照水电站布置的整体规定，连接机组和引水压力钢管的形式为一管一机。

蜗壳的进口内径是7.1米，压力钢管的直径是7.7米，把连接段设置到钢蜗壳和钢管间。

蜗壳钢板的厚度为20毫米至40毫米，厂房轴线和机组中心线存在11.5度的夹角。

此钢蜗壳具有较为复杂的混凝土结构受力情况与尺寸体型，在设计结构过程中，对围岩的压力、内外水的压力、发电机组的荷载、结构的自重、风罩传递的荷载等基本荷载类型均有涉及，水轮机的总重量是10500千牛，发电机的总重量是18600千牛。

三、设计混凝土蜗壳的混凝土结构在设计时，钢蜗壳断面使用了全埋型圆断面，安装的机组高程为128米，段长是26米，低于124米高程的部分宽23米，高出的部分宽25米。

座环与蜗壳分析概述座环、蜗壳是混流式⽔轮机埋⼈部分的两⼤部件,它们既是机组的基础件,⼜是机组通流部件的组成部分,它们承受着随机组运⾏⼯况改变⽽变化的⽔压分布载荷以及从顶盖传导过来的作⽤⼒。

座环⼀般为上、下环板和固定导叶等组成的焊接结构。

蜗壳采⽤钢板焊接,其包⾓⼀般介于345⼀360范围以内。

蜗壳通过与座环上、下环板的外缘上碟形边或过渡板焊接成⼀整体,其焊缝需要严格探伤检查,必要时还需要进⾏⽔压试验。

近年来,随着⽔轮发电机组单机容量的不断提⾼,给机组的设计和制造带来⼀系列技术和⼯艺⽅⾯的问题,仅就⽔轮机的座环蜗壳来说,若按传…反击式⽔轮机的基本结构第三节：反击式⽔轮机的引⽔室⼀、简介⼀般混流式⽔轮机的引⽔室和压⼒⽔管联接部分还装有阀门，⼩型⽔轮机为闸阀或球阀，⼤型多为碟阀。

阀的作⽤式在停机时⽌⽔，机组检修时或机组紧急事故时导叶⼜不能关闭时使⽤，绝不能⽤来调节流量⽔轮机引⽔室的作⽤：1.保证导⽔机构周围的进⽔量均匀，⽔流呈轴对称，使转轮四周受⽔流的作⽤⼒均匀，以便提⾼运⾏的稳定性。

2.⽔流进⼊导⽔机构签应具有⼀定的旋转（环量），以保证在⽔轮机的主要⼯况下导叶处在不⼤的冲⾓下被绕流。

⼆、引⽔室引⽔室的应⽤范围1.开敞式引⽔室2.罐式引⽔室3.蜗壳式引⽔室混凝⼟蜗壳⼀般⽤于⽔头在40M以下的机组。

由于混凝⼟结构不能承受过⼤⽔压⼒，故在40M以上采⽤⾦属蜗壳或⾦属钢板与混凝⼟联合作⽤的蜗壳蜗壳⾃⿐端⾄⼊⼝断⾯所包围的⾓度称为蜗壳的包⾓蜗壳包⾓图⾦属蜗壳的包⾓340度到350度三、⾦属蜗壳和混凝⼟蜗壳的形状及参数1.蜗壳的型式⽔轮机蜗壳可分为⾦属蜗壳和混凝⼟蜗壳当⽔头⼩于40M时采⽤钢筋混凝⼟浇制的蜗壳，简称混凝⼟蜗壳；⼀般⽤于⼤、中型低⽔头⽔电站。

当⽔头⼤于40M时，由于混凝⼟不能承受过⼤的内⽔压⼒，常采⽤钢板焊接或铸钢蜗壳，统称为⾦属蜗壳。

蜗壳应⼒分布图椭圆断⾯应⼒分析图⾦属蜗壳按制造⽅法有焊接，和三种。

概述座环、蜗壳是混流式水轮机埋人部分的两大部件,它们既是机组的基础件,又是机组通流部件的组成部分,它们承受着随机组运行工况改变而变化的水压分布载荷以及从顶盖传导过来的作用力。

座环一般为上、下环板和固定导叶等组成的焊接结构。

蜗壳采用钢板焊接,其包角一般介于345一360范围以内。

蜗壳通过与座环上、下环板的外缘上碟形边或过渡板焊接成一整体,其焊缝需要严格探伤检查,必要时还需要进行水压试验。

近年来,随着水轮发电机组单机容量的不断提高,给机组的设计和制造带来一系列技术和工艺方面的问题,仅就水轮机的座环蜗壳来说,若按传…反击式水轮机的基本结构第三节：反击式水轮机的引水室一、简介一般混流式水轮机的引水室和压力水管联接部分还装有阀门，小型水轮机为闸阀或球阀，大型多为碟阀。

阀的作用式在停机时止水，机组检修时或机组紧急事故时导叶又不能关闭时使用，绝不能用来调节流量水轮机引水室的作用：1.保证导水机构周围的进水量均匀，水流呈轴对称，使转轮四周受水流的作用力均匀，以便提高运行的稳定性。

2.水流进入导水机构签应具有一定的旋转（环量），以保证在水轮机的主要工况下导叶处在不大的冲角下被绕流。

二、引水室引水室的应用范围1.开敞式引水室2.罐式引水室3.蜗壳式引水室混凝土蜗壳一般用于水头在40M以下的机组。

由于混凝土结构不能承受过大水压力，故在40M以上采用金属蜗壳或金属钢板与混凝土联合作用的蜗壳蜗壳自鼻端至入口断面所包围的角度称为蜗壳的包角蜗壳包角图金属蜗壳的包角340度到350度三、金属蜗壳和混凝土蜗壳的形状及参数1.蜗壳的型式水轮机蜗壳可分为金属蜗壳和混凝土蜗壳当水头小于40M时采用钢筋混凝土浇制的蜗壳，简称混凝土蜗壳；一般用于大、中型低水头水电站。

当水头大于40M时，由于混凝土不能承受过大的内水压力，常采用钢板焊接或铸钢蜗壳，统称为金属蜗壳。

蜗壳应力分布图椭圆断面应力分析图金属蜗壳按制造方法有焊接，铸焊和铸造三种。

尺寸较大的中、低水头混流一般采用钢板焊接，其中铸造和铸焊适用于尺寸不大的高水头混流水轮机2.蜗壳的断面形状金属蜗壳的断面常作成圆形，以改善其受力条件，当蜗壳尾部用圆断面不能和座环蝶形边相接时，采用椭圆断面。

目录1、概述 (1)1.1 工程概况 (1)1.2 水轮机座环及主要部件参数 (1)2、施工依据 (1)3、施工重点及难点 (2)4、施工方法 (2)4.1一般性规定 (2)4.2座环安装 (3)4.3蜗壳安装 (4)4.4座环、蜗壳安装质量控制点 (7)5、施工组织机构及设备配置计划 (8)5.1施工组织机构 (8)5.2人员及物资配置计划 (9)6、工期计划 (10)7、危险源辨识及安全保证措施 (10)7.1座环安装现场危险点分析与预控 (10)7.2质量保证措施 (12)7.3安全保证措施 (13)7.4环境及文明施工保障措施 (13)座环及蜗壳安装施工方案1、概述1.1 工程概况冗各电站主要任务是发电，坝后式开发，正常蓄水位495m，相应库容3290万m3，为周调节水库，电站装机容量3×30MW，多年平均发电量3.357亿kW•h，保证出力21.19MW，装机利用小时数3730h，工程规模属中型，工程等别为三等。

大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高70m，枢纽主要由重力坝、坝身设闸3孔溢洪道、左岸发电引水隧洞、压力钢管、地下发电厂房及室内开关站等建筑物组成。

1.2 水轮机座环及主要部件参数2、施工依据设备的制造及安装应遵照设计图纸以及国家和行业颁发的下述标准、规程和规范。

选用的技术规范、规程和标准，应是已颁布的最新版本。

本招标文件必须遵守执行的现行技术规范主要有(不限于此)：（1）设计院提供的蓝图及工艺措施说明（2）水轮机厂家提供的图纸以及工艺措施要求（3）《水轮发电机组安装技术规范》（GB8564）（4）《钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分析》（GB11345）（5）《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB8923）（6）《钢熔化焊接接头射线照相和质量分级》（GB3323）（7）《钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82）（8）《水电水利工程金属结构设备防腐蚀技术规程》（DL/T5358）（9）《水工金属结构焊接技术条件》（SL36）（10）《水工金属结构焊工考试规则》（SL35）（11）《机械加工通用技术条件》（Q/ZB75）（12）《装配通用技术条件》（Q/ZB76）（13）《电力建设安全工作规程》（SDJ63）（14）《电力建设施工及验收技术规范（金属焊缝射线检验篇）》（SDJ60）（15）《现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范》（GB 50236）（16）《碳钢焊条》（GB/T5117）（17）《低合金钢焊条》（GB/T5118）3、施工重点及难点座环是立式混流式机组的安装基准件，尺寸大、重量重，而且安装精度要求高，应充分重视它的安装工作。

目录一、概述 (1)二、施工准备 (1)2.1施工前的准备 (1)2.2人员配置 (2)2.3施工设备及工器具准备 (2)2.4主要临时设施准备 (3)三、座环蜗壳安装程序 (3)四、座环、蜗壳的运输及吊装 (4)4.1主厂房桥机不具备吊装条件的座环、蜗壳吊装 (4)4.1.1、吊装准备工作 (4)4.1.2、吊装方法 (5)4.2主厂房桥机具备吊装条件的座环、蜗壳吊装 (7)五、座环、蜗壳安装 (8)5.1座环、蜗壳安装应具备的条件 (8)5.2座环、蜗壳安装 (8)5.2.1座环安装控制点： (8)5.2.2蜗壳安装控制点： (8)5.2.3座环、蜗壳调整 (9)5.2.4蜗壳挂装 (9)5.2.5不锈钢段安装 (14)5.3座环、蜗壳的焊接 (14)5.3.1焊前准备 (14)5.3.3座环、蜗壳的焊接 (14)5.3.2焊接的一般要求： (15)5.4蜗壳水压试验 (16)5.5蜗壳保压浇注及监测 (17)5.6蜗壳层预埋管道、埋件安装 (18)六、座环、蜗壳安装控制标准 (18)七、座环、蜗壳施工工期计划 (19)八、质量控制措施 (20)8.1质量目标 (20)8.2质量控制的内容 (20)8.2.1施工准备阶段的质量控制 (20)8.2.2施工阶段的质量控制 (20)8.2.3交工验收阶段的质量控制 (20)8.3质量保证措施 (21)九、安全控制措施 (21)9.1基本规定： (21)9.2座环、蜗壳运输道路的保证措施 (21)9.3座环、蜗壳吊装安全措施。

(22)9.2.2供电与电气设备安全措施 (22)十、安全文明施工 (23)十一、编制依据 (24)座环、蜗壳安装施工措施（修）一、概述本工程6台机座环均为整体到货，座环由上下环板、上下围板、锥板、支撑环、舌板、15个固定导叶和1个特殊固定导叶组成，外形尺寸4700mm×6517mm，总重27.2t。

蜗壳由蜗壳过渡段、蜗壳进人门、3节直管和22节渐变管节组成，蜗壳入口直径Φ1800mm。

座环安装中应注意的问题探讨[摘要]：座环是整台机组的基准，座环安装质量的好坏，直接影响到机组运行的稳定性，因此座环安装时应严格控制座环的中心、高程及水平，以保证机组安装质量。

[关键词]：座环蜗壳座环是整个发电机组的基准，座环的中心、高程、水平都决定着机组运行质量的好坏，尤其是座环水平度，如果水平度不符合要求将会引起整个发电机组的倾斜。

因此对座环的安装就位要认真测定，细心调整，严格按照国家颁布的有关安装质量标准进行安装，控制在允许偏差范围以内。

富宁谷拉电站装机20MW，转轮直径1550mm。

本人现根据谷拉电站座环安装中遇到的实际问题，浅谈一下安装中应该注意的几个问题。

1 基础预埋基础预埋作为座环安装中关键环节，严格按照图纸执行，按图纸预埋支墩，使支墩具有足够的强度，并保持水平。

谷拉电站座环支墩为3个，按图纸从-Y偏-X 15°均匀分布，座环支墩布置好后，同理布置蜗壳支墩，座环支墩与蜗壳支墩要控制高程，与安装图纸中各支墩高程略低2—5mm，按图纸给支墩留出地脚螺栓的位置，作二期浇筑，位置必须准确。

另外，沿着肘管的上层钢筋，按图纸均匀分布一些作拉锚用有足够强度长一点的钢筋并焊接牢固，数量越多越好，避免因位置不太准确而不能使用。

2 座环吊装座环吊装前，测量座环的椭圆度，根据座环安装的允许偏差值规定转轮直径小于3000mm时，允许偏差值为1mm，谷拉电站座环椭圆度在允许偏差值以内。

用等分圆的办法校核座环设备中心线，厂家制造时已经标出设备中心线，但不一定准确，应当校核。

以上两项工作都已进行并记录后，即可吊装座环。

对谷拉电站整体式座环，只需直接吊到预先放置在混凝土支墩上的千斤顶上就行。

但在安装过程中发现座环地脚螺栓支撑位置在机组轴线上，同厂家提供的图纸以及安装图纸并不一致，造成支墩不能有效使用。

经研究决定采用在直锥管上焊接支撑的办法来调整，用螺旋千斤顶将座环顶高，测量其高程，使座环高程达到机组安装海拔高程（▽254.500），在直锥管上焊接3个支撑点将座环支撑在机组安装高程上，使座环调整时，不论是旋转还是平移都处在机组安装高程这一水平面上。

第二章、蜗壳计算第一节参数的选择1.蜗壳形式的选择由最大水头为257m,决定采用金属蜗壳，根据D1=2.0m,查水轮机课本P121 257：sun=”a13”sun1=”1”给定2.0：sun=”s2”sun1=”1”给定2.座环参数座环进口直径D a=1.64D1=3.28m,座环出口直径D b=1.37D1=2.74m,蜗壳常数K=0.1m ,r=0.2m 。

1.64：sun=”w1”sun1=”1”给定3.28: sun=”w2”sun1=”2”由公式D a=1.64D1得1.37: sun=”w4”sun1=”1”给定2.74：sun=”w3”sun1=”2”由公式D b=1.37D1得第二节进口断面参数选择（1）包角=345。

345：sun=”w5”sun1=”1”给定（2）进口断面平均流速υ0=K H其中K为金属蜗壳流速系数由原型机A520-40型综合特性曲线查得H=233m ,由H查水轮机课本图5—40得K=0.6 ，则0.6：sun=”w9”sun1=”1”给定υ0=K H=0.6×233=9.16 m/s ,(3)进口断面流量9.16：sun=”w4”sun1=”2”由公式υ0=K H得根据H=233m，n11=nD1H =500×2233=65.51r min233：sun=”a14”sun1=”1”给定65.51：sun=”w15”sun1=”1”由公式n11=nD1H得由模型综合特性曲线查得Q11=0.407(m3/s)0.407：sun=”w17”sun1=”1”给定Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H=345360×0.407×4×233=25.81 (m3/s)360：sun=”w19”sun1=”1”给定0.47：sun=”w20”sun1=”1”给定25.81：sun=”w21”sun1=”2”由公式Q0=φ0360=φ0360Q11限D2H得(4)计算进口断面积F0F0=Q0υ0=25.819.16=2.82 (m2)2.82：sun=”w23”sun1=”2”由公式F0=Q0υ0得(5)进口断面的内半径ρ0=F0π=2.823.14=0.947m3.14：sun=”w26”sun1=”1”给定0.947：sun=”w27”sun1=”2”有公式ρ0=F0π得（6）确定进口端面的中心距a0由b0=D1×(0.1+0.00065n)-s=2×(0.1+0.00065 119.92)=0.36 m119.92：sun=”w29”sun1=”1”给定0.36：sun=”w30”sun1=”2”有公式b0=D1×(0.1+0.00065n)-s则a0=r0+ ρ02−h2=2.63m2.63；sun=”w32”sun1=”2”有公式a0=r0+ ρ02−h2的（7）进口断面的外半径RR0=a0+ρ0=2.63+0.947=3.58m3.58：sun=”s3”sun1=”2”有公式R0=a0+ρ0的第三节座环尺寸的确定（1）确定蝶形边锥角一般由座环的工艺决定取=55。