色拉龙水电站的蜗壳工艺研究

（刊登于《工业A》2019年5月）

张锦灿、邹仕华

（云南省能源投资集团有限公司  云南  昆明  650228）

[摘　要]色拉龙水电站的蜗壳工艺，是一个精细和精准的工艺，从国内厂家的制作和试装，到长途跋涉的境外工地，再到厂房的安装、调试和验收，都充实着满满的技术含量。金结制作尺寸以丝米（相当于10^-4米）为单位，操作手以高级技师为最低要求，每道工艺都是精益求精。整个工艺过程，实现了国内与境外的跨越，成就了能源经济的核心价值。对蜗壳工艺的研究，意义深远，可以更好指导和借鉴到行业的类似工程。

关键词：色拉龙水电站；蜗壳；工艺；研究

 

Study on Spiral Case Technology of Xelanong Hydropower Station

Zhang Jincan  ,Zou Shihua

（YunNan Provincial Energy Investment Group Co.LTD. Yunnan  Kunming  650228）

[ Summary] : The worm shell process of the Xelanong Hydropower Station is a fine and accurate process. From the production and trial installation of domestic manufacturers to the long-distance overseas construction sites, to the installation, commissioning and acceptance of the factory building, it is full of technology content. The size of the gold knot is in silk meters(equivalent to 10^-4 meters), and the operator is the minimum requirement for senior technicians. Each process is for excellence. The whole process realizes the cross between domestic and overseas, and achieves the core value of energy economy. The research on the worm shell process is far-reaching and can better guide and draw lessons from similar projects in the industry.

Key words: Xelanong Hydropower Station; Spiral case; Process; study

 

 

 

【收稿日期】2019-1-

【作者简介】张锦灿（1977-8-16），男，云南大理人，硕士研究生，高级工程师，总裁助理兼经管中心总经理，研究方向是国际金融、国际能源经济。

邹仕华（1970-11-21），男，湖北潜江人，工学学士，水利水电工程硕士，经济学硕士，教授级高级工程师，高级职业经理人，省级电力市场监管咨询专家（2018.8.21-2021.8.20），研究方向是水能动力工程、传统能源经济。

蜗壳属于压力容器，属于水电站的核心之一，传导着高压水头赋予的巨大势能，冲击叶轮，转换成动能，进而转换成电能。上连压力钢管，下连锥管、肘管、尾水。其自身坚硬密实，外包钢筋混凝土，其制作、运输和安装等过程，具有严格和严谨的精细工艺。

1.工程概况

色拉龙水电站是二等大（2）型工程，正常蓄水位对应的库容8.81亿立方米，可调节库容2.84亿立方米，装机容量7万千瓦，年发电量2.699亿千瓦时，最大坝高67.5米，可利用水头46米。坝顶高程▽219.5米，坝后式厂房，厂房安装间（平台）高程▽179.00米，蜗壳底座座环连接锥管处的高程▽158.70米，压力钢管下平段轴心高程▽161.50米。蜗壳与引水压力钢管相接处的管径内径4.8米，蜗壳鼻端内径1.748米。蜗壳安装完成后，被外包混凝土永久包裹在▽165.50-▽158.70米之间，即蜗壳镶嵌在4100立方米的C25混凝土中，严严实实。

蜗壳的断面逐渐减小，愈接近鼻端则净空断面愈小，可以保障导水机构均匀供水。水流进入导水机构前形成必要的环量，减轻导水机构的工作强度。

蜗壳是一个技艺高超的调训师，将桀骜不驯的洪流调教成驯服可用的环量涡流，带动机组发电，降灾为宝，造福人类。

2.蜗壳的结构与地理位置

蜗壳是一个引水室，采用适当尺寸，尽可能减小水力损失，也降低土建投资。色拉龙水电站46米水头水轮机组采用金属蜗壳，有别于砼蜗壳。安装在▽161.50米的高程位置，由21节焊接而成，每节包角组成21个数字的等差数列,0，15,30,45,60,…300，等差值为15度，初始值为0度，最终形成一个300度的圆弧（如表1.蜗壳各节断面数据表）。顺流冲击水轮机组叶片，由高水压势能转换为强大动能，带动水轮机组，进而带动发电机组规律高速转动，励磁互感，水力发电，输送电力，光明万家。

蜗壳由10个支墩（如图1.蜗壳的支墩布置图和表2.蜗壳支墩位置及其尺寸一览表）支撑着，外包1.5兆帕的弹性垫层约1/4-1/2弧面，包裹厚厚的钢筋混凝土[1]，三种螺纹钢筋20、25、28合计11.5吨，使得蜗壳固若金汤，埋藏在厂房深处，好似水电站的“定海神针”。当然，备有应急预案，预留进人廊道和检修廊道，实施运营时期的定期检修。

蜗壳是水电站的心脏[2]，构造复杂，安装精细精准，腹地深藏▽161.50米。上接压力钢管[3][4]，引入▽215.00米正常蓄水位的压力水量171立方米/秒，传递能量给水轮机组，下接锥管，沿着锥管、肘管、尾水等结构建筑物，排流下游。

 

表2.蜗壳支墩位置及其尺寸一览表（厘米）
编号	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	备注
X	456.3	456.3	409.2	261.8	54.7	-153.2	-306.3	367.3	-326.3	38.7	机组纵轴线（平行坝轴线）
Y	300.0	100.0	-169.0	-340.4	-412.2	-371.2	-235.6	-46.9	134.5	298.2	机组中心线（垂直坝轴线）
H	40.9	47.4	63.4	75.0	88.2	102.0	142.2	131.2	147.9	193.0	墩身高度
L1	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	30.0	墩身顶部正方形边长
L2	38.2	39.5	42.7	45.0	47.6	50.4	58.4	56.2	59.6	68.6	墩身底座正方形边长

 

3.蜗壳的制作与拼接（试安装）

蜗壳的制作在国内，由专业制作厂家完成。单个蜗壳21节制作成形后重量29.0吨，加上封门、舌板、斜板、撑板、拉耳、补偿环、导流环、法兰等附件，单个蜗壳金属结构[5]总重量53.2吨。蜗壳壁厚有三种，25毫米、20毫米、18毫米，大头至小头，逐步渐变。中间还设置两个凑合节，第2节和第12节，凑合长度分别预留100毫米，以满足实际拼接需要。

 

图1.蜗壳支墩布置图（两台机支墩布置相同）

各个部件因不同用途，采用不同特质的钢材。21节蜗壳统统采用Q345R钢板，Q345R钢板是屈服强度为265-345MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能，Q-“屈”，345—屈服强度值，R-“容”。斜板、法兰采用Q345C钢板，Q345C属于低合金高强结构钢的一种，Q-屈服强度，345-屈服强度值345MPa，C-该强度级别的钢的质量等级符号。撑板、拉耳采用Q235B钢板，Q235B是碳素结构钢，需要做常温冲击试验，其化学成分有C:0.12-0.20%，Mn：0.30-0.70%，S：0.045%。

厂家制作过程，按理需要监造监理，但本工程未实行该模式。只是业主代表和专业监理不定期地参与设计方同厂家的联络会，集中解决过程中的技术问题。厂家按期报送周报，及时反映制作进展情况以及需要协调解决的实际问题。并严谨过程资料，备查和后期竣工验收之用，运营期也必须查阅这些资料。

从合同签订到材料采购、设备制作，完成第一批进关，一般在半年左右。制作过程是一个精细、精度过程，专业团队进行专业制造，也是国人引以为自豪的中国制造和中国智造。出厂前，要持续近半个月的拼接或试安装，满足初验自检条件之后，专门提前办理入关手续，并组织设备入关，运往施工现场。

4.蜗壳的运输

4.1.厂外水平运输

厂家在国内，电站在境外，路程2000多千米，加上入关手续办理时间，一般地，平板车运输每次20天左右可以运达电站现场。路途爬坡过坎，交警关卡，费时费钱，须有预算准备。特别是遇上雨季运输，路途桥梁受损，路基冲坏等因素影响，厂外水平运输时间就无法估量，需要启动预先设立的应急预案，弥补延迟的时间损失。最长时间的一次单趟运输，持续了一个半月，才运至现场。

厂外水平运输，路途遥远，影响因素繁多，蜗壳容易造成一定程度的损伤。需要提前加固钢衬，减少或避免运输过程造成不必要的损伤。

国际运输，合作团队的选择和监运至关重要，以便稳妥协调解决路途中出现的突发状况。

4.2.厂内的水平运输和垂直运输

结束长途跋涉的蜗壳，有些部件直接卸货至厂房约400平方米的安装间，有些还需暂时搁置在坝区金结加工厂，适时二次倒运再至厂房安装间。到达工地的设备器件必须经过严谨的验收过程，从数量和质量上予以验收。

厂房内，采用200吨/50吨/5吨的主厂房单小车桥式起重机进行水平运输和垂直运输。在安装间，连接好的座环和蜗壳基座，由单小车桥式起重机的50吨吊钩从▽179米平台缓缓移至约▽158米的8个钢架支座上，作业工人在技术指导员的指挥下，牢固连接座环与锥管。蜗壳基座在水平仪和千分仪的辅助下，调平调稳，固定支架。单小车桥式起重机腾空停滞，由钢丝绳悬挂需要一一安装的物件，完成一次又一次的垂直运输。

无论是水平运输，还是垂直运输，周围维护着管理调度者、技术指导者、设备操作者、物件搬运者、焊接调试者，立体交叉作业，安全第一，预防为主，要有相当严谨的安全作业预案。

5.蜗壳的安装

设备厂家派遣经验丰富的高级技师指导现场，全程跟踪，由PC单位的金结人员精细安装，当然，还安排一定数量的辅助工人配合安装。专业监理和业主代表现场旁站，并形成详实记录。偶尔出现设计代表，观摩和检验实际安装结果与设计意图的契合度。每道工序完成，都经过严格和严谨的自检、互检程序，才进入下一道工序。

蜗壳21节呈对称梅花状分布安装，以保证安装过程蜗壳周边基座受力均衡。防止因逐节连续安装，导致蜗壳基座重力失衡而倾斜。

每一节用主厂房单小车桥式起重机的5吨吊钩悬吊，静滞在空中，待蜗壳节与座环完全焊接稳固为止。

节与节之间的焊接，至关重要，从操作手开始严格要求，高级焊工，技艺高超。第2节和第12节分别预留100毫米的凑合尺寸，确保蜗壳整体合缝。蜗壳属于高压容器，焊接之后进行百分百探伤，做到万无一失。

受场地条件限制，所有焊缝采用焊条手工电弧焊，焊条与母材的抗拉强度相匹配，为低氢钠型药皮的低氢合金钢焊条，焊接金属具有优良的塑性和韧性[6]，满足焊接质量要求。

蜗壳的制作和安装是一个粗活，需要拧大锤，敲击拼装焊接过程中的不规则凸凹部分；也是一个细活，需要用到经纬仪、水平仪和千分仪，安装精度至丝米（十分一毫米），扰动灵敏度至微米（千分一毫米）。

从连接锥管的座环，到21节蜗壳吊装，节与节之间拼接，节与压力管道下平段拼接，凑合节拼接，焊缝、检测、验收，50天左右完成，50天之后由金结安装团队交付土建团队进行外裹钢筋混凝土。

按理，蜗壳节与压力管道之间属于柔性连接（一定尺度的伸缩节），通过Φ4.8米的球阀和法兰盘进行连接，减小该连接过程对整个蜗壳体的应力影响。但是，色拉龙电站的蜗壳，从设计角度没有采用柔性连接方式，而是硬性连接（死连接）。这样，在焊接过程中难免扰动蜗壳整体。为了避免减少该焊接对蜗壳整体的应力变形，现场五方（施工、厂家、监理、设计和业主）达成一致意见，预留给该连接段足够空间，增加二期混凝土，待蜗壳外裹混凝土达到设计强度之后，再来焊接该连接段，之后浇筑该区域的二期混凝土。

没有来得及考证这种死连接的设计真正意图，但从工程投资角度，较柔性连接节省几十万元，即使额度不大，也算一种创新吧。

6.蜗壳的外裹钢筋混凝土

安装好的蜗壳，包裹着厚实的钢筋混凝土，钢筋11.5吨，混凝土4100立方米，相当于给蜗壳额外配重9851.5吨（混凝土C25-C35的容重一般2.4-2.42吨/立方米），确保进入运营状态的蜗壳纹丝不动，成为一个高水头压力的容器暗室，想象里面被涡流冲击的状态。

外裹混凝土在仪器检测过程中进行，及时发现偏移和不均匀沉降，及时纠偏。杜绝浇筑过程中蜗壳发生位移和沉降，确保外裹混凝土达到设计强度之后的蜗壳水平位置和高程位置精确如初。后续水轮机组安装以此为基准，至关重要。

蜗壳加附件总重量50多吨，外包裹钢筋混凝土近万吨。相当于50多吨蜗壳盖层近万吨的“被子”，使得蜗壳成为“定海神针”，驯服上游奔袭而来的洪流。实现能量转换，高水头势能转换为涡流的动能，进而转换为叶轮传动电磁互感的电能。有用的能量在多次转换中逐步形成。

7.结语

（1）蜗壳工艺是一个由设计者、投资者、制造者、监理人和建设者携手联动的工艺，专业跨度大，地域覆盖广。

（2）蜗壳属于压力容器，属于水电站的核心之一，传导着势能向动能、电能和光能转换。

（3）蜗壳的制作在厂家，运输于路途，安装、调试与验收在厂房。

（4）蜗壳自身坚如磐石，外包钢筋混凝土固若金汤。安装过程严格又严谨，体现中国制（智）造的技艺精湛。

（5）蜗壳21节呈对称梅花状分布安装，以保证安装过程蜗壳周边基座受力均衡。防止因逐节连续安装，导致蜗壳基座重力失衡而倾斜。

（6）今后类似工程应该严格监造环节，获得严谨的监造记录和出厂验收特别是质量验收记录，同时，以此避免设计与制造过程信息不对称的现象。通过监造传递过程信息，及时发现并纠偏类似于蜗壳与压力管道柔性连接变成硬性连接的做法。

参考文献

[1]马伟利，龙滩水电站1^#机组蜗壳层混凝土施工[J]，工程技术，2010（8）：132-133

[2]邹仕华，蜗壳[J]，云南能投文苑，2018（10）：

[3]邹仕华，色拉龙工程引水压力管道布设研究[J]，工程技术，2018（11）：21-22

[4]孙钦中，撒多水电站厂区枢纽工程蜗壳混凝土施工技术[J]，四川水利，2013（5）：70-73

[5]唐红海、孙德铭、尹小萍，小浪底水电站金属结构设备的设计和运用[J]，水利电力机械，2006（3）：27-29，40

[6]朱杰伟、向春华，小岩头水电站压力钢管和蜗壳制作安装质量控制[J]，云南水力发电，2013（6）：89-92