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摘要：因轴流转桨式水轮机结构形式的特点，其转轮在现场安装时具有部件和工序多，需要独立设置转轮和水轮机轴工位，占用工位和大型起重设备时间长，且容易成为进度计划中的关键任务等特点。本文详细介绍国外某水电站轴流转桨式水轮机组转轮组装和整体吊装工艺和特点，分析其合理性。
关键词：轴流转桨式水轮机；四体联吊；转轮；水轮机大轴
1. 概述
该水电站位于非洲乌干达共和国南部、维多利亚尼罗河上，主要建筑物包括黏土心墙土石坝、混凝土重力坝溢洪道、发电厂房和开关站，电站总装机容量183.2MW，装设4台额定/最大功率为45.8MW/50.4MW的轴流转桨式机组，送出电压等级为132kV，单台机组额定引用流量约为345.0m3/s，电站以发电为主，正常蓄水位下水库库容量为1.6081×108m3 ，为径流式水电站。
该国无港口，最近邻国的蒙巴萨港口距项目现场1141.5Km，公路运输条件较好，全线只有一座桥梁。设备和材料主要通过海运至邻国港口后，公路运输至现场；项目所在国有机场，但运输承载能力有限；该电站水轮发电机组和主要设备均由国内厂家制造后海运至现场。
2. 水轮机主要参数及特点
（1）机组额定水头15.01m，最大水头（1台机组满发时）为17.9m，最小水头11.1m，机组额定转速88.24r/min，飞逸转速219.2 r/min，俯视机组旋转方向为逆时针方向。
（2）水轮机转轮整体吊装相关主要部件尺寸和重量参数见下表1。
（3）转轮中心体采用ZG06Cr13Ni4Mo材料、活动桨叶（单个转轮设置5片）采用ZG06Cr16Ni5M材质，均在厂内整体铸造后加工而成；活塞杆采用Forged 35CrMo材质；在超出转轮上法兰面276mm处设置操作油管和活塞杆连接法兰。
（4）转轮本体内所有零部件在工厂安装完成，进行转轮所有部件的预装、叶片密封试验、耐压试验、操作油缸的动作试验和转轮整体静平衡试验后，拆下叶片、泄水锥并排空本体内透平油，转轮整体和其余部件分别运往工地现场；转轮整体运输重量约为86t，运输尺寸2.89m×2.89m×3.4m（长×宽×高）。
（5）泄水锥和导流锥均为钢板卷制后焊接结构（均在厂内完成），与转轮中心体、支持盖均采用螺栓连接，各结合面均设置了定位销或定位螺栓，各连接螺栓均设置了防脱落措施，以保证各部件连接的牢固可靠。在厂内预装完成后，增加内部支撑将泄水锥、导流锥并整体运输至现场。
3. 水轮机转轮安装技术
3.1现场设备组装工位设置
电站主厂房左岸布置安装场，长40.4m，宽22.8m，预留6个设备（支持盖、转轮、定子上机架、转子、下机架、水轮机顶盖）同时摆放的空间，工位布置参见下图1。从左至右依次布设1号-4号水轮发电机组，1号机组为首台发电机组。设计了独立的支持盖和水轮机轴工位、转轮工位，保证了转轮组装工序间能同步并行；同时上述两工位位置的设置充分考虑了各工位场地使用的需求和减少了占用起重设备对其它设备组装的影响。主厂房内设置1台50t电动双梁单小车和1台175t+175t/50t+20t电动双梁双小车桥式起重机。
图1 电站安装间设备组装工位布置图
3.2转轮组装工序流程
该电站采取了转轮体内液压缸、活塞杆、连杆、枢轴等所有部件在厂内预装、试验合格后整体运输至现场的方案，大大缩短了转轮现场组装工作量和工期，与相似机组的传统施工方法不同，避免了转轮组装工作成为进度计划中的关键任务。
转轮现场组装工序流程参见下图2。
图2 转轮组装工艺流程图
3.3转轮叶片组装及现场密封试验
（1）首先在转轮组装工位上安装转轮专用支撑工装，然后将到货转轮平稳起吊放置在支撑工具上，调整上法兰水平度至0.05mm/m以内，再拧紧转轮与支撑工装的固定螺栓后，拆除运输工具和护罩、封板等；
（2）使用手拉葫芦将活塞杆提至最上端（即桨叶全关位置）后进行固定，将扭矩销装入枢轴和拐臂孔；
（3）在原预埋基础板上安装叶片支撑工装，使用千斤顶配合调整、安装桨叶；现场安装时应按厂内预装后做的标记和钢号进行安装，首先使用专用吊具将叶片吊起并调整至安装位置后安装密封，叶片密封为V型密封，现场密封为整圈安装、不得切割；
（4）利用柱头螺栓将叶片导入后拆除专用吊装工具，并合理选用千斤顶数量和支撑点进行支撑，防止叶片倾覆；安装支筒和螺母，通过对称拧紧螺母将叶片拉入；
（5）使用电加热器和专用接头，每个螺栓分两次加热并把紧、拉伸，伸长量控制在0.36-0.39mm之间；加热过程中需对称加热两只螺栓并同时拉伸；
（6）所有叶片螺栓拉伸完毕后，在转轮体内注入合格油、安装加压设备，按照规范和厂家说明书要求，进行叶片的操作和转轮严密性耐压试验。试验过程中每小时操作叶片全行程开关动作2~3次，各组合缝、叶片密封等不得有渗漏；接力器动作平稳，动作过程中最低油压不得大于额定油压的15%；
（7）焊接止动块锁定所有桨叶连接螺母→安装、焊接螺母封盖→打磨焊缝使之与叶片法兰光滑过渡→使用楔子板将转轮叶片固定在全关位置。
3.4操作油管和水轮机主轴组装
操作有关和水轮机主轴为分体到货，在现场进行组装。
（1）清扫主轴内部和操作油管内、外壁及导瓦，必要时现场对相关焊缝进行探伤复检，以确保焊缝的严密性；
（2）将主轴吊装至支持盖和主轴工位处，并使用枕木支撑两端法兰处并调整水平；将操作油管从发电机侧穿入，调整好油管轴向位置后，安装支撑和固定工具；
（3）在工位基础板上安装主轴专用支撑工装后，安装主轴竖立工具并将主轴吊起并树立在工装上，使用螺栓将主轴和工装进行连接、固定。
3.5导流锥、支持盖与主轴的组装
（1）在主轴竖立位置周围，直径2.3m分布圆上布置8个枕木；
（2）吊起支持盖平稳移至主轴上方，缓缓套入主轴，将导流锥放置在已布置好的枕木上；
（3）使用同样的方式将支持盖套入主轴，缓慢降落，安装与导流锥的连接螺栓，并把紧；
（4）将4瓣转轮支撑工具吊入支持盖内，放置在支持盖板上；
（5）连接桥机平衡梁和转轮整体吊装工具完成后，移动桥机至大轴上方，使用厂家提供的10个M80高强钢螺栓将吊装工具与主轴连接；
（6）在支持盖内侧吊耳与整体吊装工具下法兰吊耳间挂装6个20t手拉葫芦，通过6个缓慢将导流锥和支持盖拉起，过程中需调整各葫芦速度以保证支持盖的水平和6个葫芦均匀受力，使导流锥底部距离地面约1.25m左右；
（7）松开主轴与支撑工装间的固定螺栓，起吊一定高度，清理底部法兰面，做好与转轮的连接准备。导流锥、支持盖与主轴组装完毕后情况见下图2。
图2 导流锥、支持盖与主轴组装完毕
3.6起吊支持盖、导流锥、主轴与转轮连轴
（1）首先连接转轮体内操作油管和主轴内操作油管，将主轴等设备整体吊至转轮正上方，将主轴下落至距转轮盖上方约50cm处，人工推动主轴调整主轴X、Y轴线标示与转轮X、Y轴线标示对齐；
（2）在下部操作油管上的顶起用螺孔上，安装两个M30的顶起螺栓，在活塞杆上安装∮25圆柱导向销；慢慢松开轴内操作油管固定工具的螺柱，缓慢落下大轴，直至两个M30螺栓下端定在转轮活塞杆上并将操作有关的重量承担起来；拆除操作油管固定工具，缓慢调整顶起螺栓，使两操作油管缓慢靠近；调整轴内油管位置，将油管沿圆柱导向销导入；
（3）安装并把紧两操作油管之间的连接螺栓后，拆除两个顶起螺栓，点焊圆柱销；
（4）将主轴缓慢落到转轮盖上，在连接螺栓上均匀涂抹二氧化钼后按编号安装连接螺栓并拧紧，尽量保证20个螺栓初始拧紧状态相同并做好位置标记；
（5）使用液压拉伸器分两次、对称预紧各螺栓，最终预紧力为3175~3500kN，测量螺栓最终总伸长量为0.89~0.99mm；拉伸完毕后检查主轴与转轮连接面，使用0.03mm塞尺检查，不得塞入；
（6）安装水轮机轴保护罩，保护罩法兰面涂抹密封胶；安装抗磨环，并在周向均布16个测点，保证抗磨环上平面的平面度不大于0.02mm/m；
（7）转轮与主轴连轴完成后，调整6个20t手动葫芦，降低导流锥和支持盖，调整转轮与导流锥间隙为20mm；安装转轮支撑工具并把紧所有连接螺栓。
3.7整体起吊主轴、转轮与泄水锥组装
（1）在已空置的支持盖和主轴工位处，使用15cm高的枕木将泄水锥垫起并调整水平、清扫组合面；
（2）操作桥机，将转轮、主轴、导流锥和支持盖整体吊起至泄水锥正上方→缓慢落转轮至与泄水锥法兰接触→安装连接螺栓→通过分次、对称、多点同时把紧连接螺栓将泄水锥整体提起并与转轮连接→最终把紧并安装止动螺栓→组装焊接封板。在组装泄水锥过程中，主轴、转轮等所有部件重量应一直由桥机承担。
至此转轮组装完毕，具备整体吊入机坑安装的条件。
4. 施工总结及相关注意事项
4.1施工总结
（1）转轮及内部部件全部在工厂预装并进行所有试验，试验完毕后整体运至现场，减少了现场安装工作量和对起重设备的占用时间、有效缩短了转轮现场组装工期；
（2）转轮、大轴、泄水锥、导流锥等大部件均在厂内预装并完成静平衡等试验后再拆解发运至工地现场，增加了厂内工作量和时间，同时对设备加工精度也提出了较高要求；通过该水电站前序两台转轮的安装成果，国内水轮发电机厂家的制造、加工水平能保证安装质量和安装方案、工艺的要求。
（3）现场工位布置较为合理，独立设置了转轮工位和支持盖工位，还能通过合理安排安装工序，充分利用支持盖和主轴工位（同时也作为主轴内操作油管安装、主轴翻身和泄水锥组装工位），提高了场地使用效率的同时，有效减小了对其它设备组装和工位的影响；
（4）实现了多个工序的并行作业，减小了转轮组装工作对总工期的影响；
（5）在转轮组装过程中，大量占用桥机和长时间、大负荷悬停，安全风险较大，对施工安全管理、起重设备的安全和可靠性、操作人员动作的准确性提出了较高要求。
4.2相关注意事项
（1）需要严把厂内制造、加工和试验工序关，保证设备质量和各部件加工精度满足现场安装方案的要求；
（2）转轮内部部件组装后整体运输，对长途运输工作的质量提出了高要求，杜绝运输过程中对内部部件造成损伤或损坏；建议在转轮正式组装前、拆除封板后，由专业人员对内部部件的完好性、紧固件的可靠性等进行检查和确认；
（3）该水电站采用了封堵防护、转轮内部不充油、整体运输的方案，运输距离较远且有长途海运，转轮体内部部件存在可能被锈蚀的风险；建议国内外后续相似电站可根据项目实际情况采用充油运输或充干燥气体运输的方案，保证运输的安全、可靠性；
（4）做好转轮体到货后的库存管理，到货后设备应在室内常温存放，尽量减小环境温差的急剧变化；若在库内存储期可能超过3个月，建议到货后即组织充油后存放；
（5）转轮组装和吊装过程中一定做好起重安全作业管理，特别是起重设备大负荷、长时间悬停施工的管理，应做好如下事项：
①转轮中心体就位、主轴树立后应采取相应支撑、紧固措施，防止组装过程中设备的倾覆；
②针对转轮组装和吊装过程中可能出现的安全问题，应研究制定专项应急预案，并落实相应措施，如防起重设备溜钩措施等；
③提前对桥机工况进行全面检查和确认，有问题即刻进行处理，确保起重设备的安全和可靠性；
④长期悬停时和整个吊装过程中应安排专人对桥机抱闸进行监控；桥机设计和制造阶段，应充分考虑上述工况，选择安全、合理的抱闸设计和配置方案；
⑤提前做好各工序的施工准备，保证施工的连续性和有效性；
⑥合理安排各工序人员和设备投入数量，如泄水锥封板焊接、连接螺栓把合等工序，应安排多名工人、多点同时作业，尽量缩短施工和设备悬停时间。
5. 结语
经实践证明，该水电站各建设方在充分考虑现场起吊条件、设备运输等条件后，所选用的转轮体带内部部件整体运输、现场安装过程中多工序并行的施工方案和工序流程是可行的，能够满足质量要求。该方案的成功实施，有效缩短了转轮现场组装工期，1号机组转轮安装间组装共用时32天，2号机用时27天，减小了对机组安装总工期的影响，间接性的为该项目创造了较大的经济价值，同时也为国内外类似的低水头水轮发电机组的安装提供了节间和参考。
论文作者:庄永辉
论文发表刊物:《防护工程》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/4
标签：转轮论文; 主轴论文; 螺栓论文; 油管论文; 水轮机论文; 叶片论文; 现场论文; 《防护工程》2017年第36期论文;