水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装新工艺探索

陈广生 广东省源天工程有限公司

蜗壳是一种多见于水利枢纽工程中的作业结构，全称为蜗壳式引水室，可实现均匀供水、减轻导水结构的工作压力。水利枢纽水轮机特大型蜗壳具有基础重量大、工作环节多、安装难度大等特点，在安装工程中，常规处理工艺的效果不完全理想，作业效率、工作时间无法保证，有必要就可行的新工艺进行分析。

1.蜗壳管节的初步处理

水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装过程中，为保证处理效果，减少作业难度和工艺复杂性，建议通过地面装配、加固，对蜗壳进行初步处理。具体工作中，要求根据蜗壳外观特点进行分类，首选完成整齐划一的分类处理，之后借助定位设备，通过与蜗壳管节接近的弧面样本、间隙块等，逐步完成蜗壳整体的装配。一般要求优先搭建装配平台，结合工作要求进行装配作业位置（也定位设备的摆放位置）选取，进行标准，获取中心线和设备摆放范围，确定该管节的尺寸线，放置、固定定位设施。按照早期分类结果，逐一将蜗壳设备移动至装配区域，要求蜗壳与定位板实现紧密接触，借助间隙块填充多余空隙。管节的开口部分，借助弧形设备进行校对，确保其尺寸规范、位置得当，之后校对整体装配效果，无异常可进行电焊加固，对蜗壳各链接部位进行焊接并去除明显焊瘤。

表1 支架结构和参数要求

在蜗壳管节初步处理的过程中，采用组合式活动支撑结构进行装配平台搭建，该结构以钢卷板为核心，提供具有一定形变自恢复能力的多层钢卷板，借助螺栓进行钢卷板之间的固定。要求卷板组成后的规格略大于代加工蜗壳，完成装配和加工后，可将蜗壳吊移，继续应用钢卷板装配平台进行后续蜗壳管节处理。该模式下，作业流程没有发生显著变化，但借助钢卷板搭建的组合式活动支撑结构，减少了反复进行施工平台建设、修整的工作压力，有助于提升地面部分工作效率，归类后逐一进行装配的蜗壳管节，也能提升地面作业规范性，使水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装工艺得到改进。

2.管节地面运输

此前蜗壳管节的运输，采用完全分散或完全集中的模式，分散模式下，需要在运输完成后的安装阶段进行复杂焊接、吊装，工作繁琐；集中模式下，蜗壳施工压力大，对设备性能要求高。可在后续工作中采用单节蜗壳管节运输模式，将初步处理完成后的蜗壳，以局部管节的形式，运输至安装区域，对于水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装作业而言，单节运输蜗壳管节的作业方式更具适用性。

具体工作中，首先对待运输的蜗壳管节进行规格分析，了解吊装位置空间大小，同时分析起吊区域空间和运输区域的通行情况。要求在进行蜗壳管节装配和加固前，将其运输至距离安装区域较近的地点，之后采用垂直起吊的方式，放置于钢结构支架顶部，通过间隙块填充摆放间隙。运输过程中，无论采用吊装或车辆运输模式，均要求严格避免出现晃动，垂直起吊模式下，要求蜗壳管节两侧偏移的角度不超过7°，运输模式下，要求车辆运输过程中无障碍物，不需进行大幅度转弯或速度瞬时变化。以车辆运输为例，要求搭建钢结构支架，支架结构和参数要求见表1。

实际工作中，如果单节蜗壳较大，可进一步增加上述用具规格，表1所述钢支架规格适用于大部分大型水利工程的单节蜗壳运输，适用性高，且能够反复使用，不断进行管节运输，提升地面部分的施工效率和设备复用性，减少成本。

3.管节翻转施工

完成蜗壳运输后，要求对其进行翻转，以契合安装要求。在蜗壳管节翻转过程中，需要借助液压设备维持工作稳定，为保证作业效率，采用的新工艺为借助模拟方式首先了解作业需要，根据模拟结果进行作业，以翻转架支撑、吊钩和千斤顶辅助模式完成施工。蜗壳管节翻转过程中，需要控制的核心参数为力矩阵变化，在常规吊装过程中，蜗壳的力矩基本保持不变，翻转时，垂直方面的力不断集中，应力集中区域为蜗壳管节下部，直到翻转完成，受力点持续下移。以蜗壳底部为最高，以A表达该点的受力总量，获取一个计算式：

式1中，t表达管节重量，单位为吨，g表达重力加速度，h表达蜗壳距离安装地点的高度，单位为m，s表达翻转速度，单位为s，X表达风力参数和其他动态参数，具有可变性。可代入实际工作值，根据计算结果，建立有限元分析模型，再通过计算机模拟，获取A值变化态势，据此设计支撑结构，建立具有承重能力的翻转架、选取合适的吊索和起重设备。具体工作中，要求结合运算结果将单节蜗壳吊至翻转架处，蜗壳的受力位置应保持与翻转架的有效结构，在其外部利用吊索、钢绞线进行固定，避免蜗壳出现起吊不稳、掉落问题。领取吊索和钢绞线等，牢固捆扎于翻转架外部，对翻转架进行垂直起吊，以油泵提供动力，并保持起吊过程中的速度缓慢、翻转架和蜗壳管节位置稳固。缓缓将翻转架放置于支墩部位，下放过程中，保持速度均匀，直到翻转架完成与支墩的完全有效接触，再关闭油泵。在此过程中，可由地面人员进行观察和指挥，随时了解翻转架和蜗壳管节是否稳定、翻转架是否有效接触支墩等。

图1 蜗壳的挂装施工流程

4.蜗壳的挂装施工

蜗壳的挂装施工，是整体作业的最后一个核心环节，该环节施工可分为若干标准工序，尝试采用新工艺，可运用于分节固定方面，标准模式下，蜗壳的挂装施工流程见图1。

该流程下，此前集中定位、分节安装模式精细化不足的弊端得到控制，在挂装过程中，首选进行X定位，也即横向定位，根据上（+）、下（-）波动的幅值进行校对，核准标准挂装位置，之后进行纵向定位，因蜗壳翻转完成后，其受力态势不变的情况下，位置往往稳定，因此只进行偏移位置的校对（+）。完成校对够，进行蜗壳第一管节的挂装，以此模式为基础，完成其他管节的后续安装。

5.可用支持性技术

在水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装过程中，牵涉到力学计算、钢材料选取和安全管理等内容。为保证施工效果、新工艺应用价值，可在实际工作中通过各类支持型技术进行辅助，如有限元技术、BIM技术等。如上文所述的管节翻转施工环节，可在完成基础参数的收集后，将其带入BIM软件中，加入风力、设备老化程度等动态因素，模拟翻转过程中蜗壳管节出现偏移的可能，初次模拟无异常，可添加更多参数，或采用约束条件分析法，对可能出现的异常进行二次、三次模拟，包括起吊速度和翻转速度、支墩强度等。有限元分析法可有效实现对力学变化的评估，在管节翻转施工环节价值较为突出，有助于实时评估力学变化作为施工安全的保障。

综上，水利枢纽水轮机特大型蜗壳安装，需要考虑的因素较多，施工难度大，新工艺的应用可应对上述问题。蜗壳管节装配、加固可提升作业精度，减少劳动强度和时间。单节蜗壳管节运输重视为后续处理提供支持，实现了工作内容拆解，蜗壳管节翻转、吊装有助于控制变形，从施工质量角度实现安装效果改善。