大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程技术领域，特别一种大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法，它用于水轮机转轮及发电机下机架等重大部件在深山峡谷地区工地现场加工工位基础的设计。


背景技术：

2.伴随着我国西南地区一系列大型水电站的开工建设，由于受水电站现场施工场地紧张、水轮机转轮和发电机下机架等水轮发电机组重大部件在场区外无法整体运输等条件限制，目前我国在建的部分大型水电站水轮发电机组转轮和发电机下机架等关键重大部件一般采用散件运输、现场加工组装的方式。根据国标《水轮发电机组安装技术规范gb/t8564-2003》和《混流式水轮机转轮现场制造工艺导则dl/t5071-2012》中对水轮机转轮(或称转轮)等关键部件(或称重大部件)现场组装工艺的相关规定，水轮发电机组大型分部件的加工工艺技术对于每个工位基础的表面平整度(或水平度)要求较高，一般各个工位预埋钢板或槽铁等基础的表面平面度误差均要求小于0.5mm；而且各个工位基础的误差，将直接影响水轮发电机组各个重大部件的现场加工质量，进而将直接影响到机组整体装机质量和水电站的安全经济运行。
3.因此，设计一种适用于大型水轮发电机组大件工地现场加工工位的方法成为了一项迫切和重要的工作。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服上述现有背景技术的不足之处，而提供一种大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法。它可以满足水轮发电机组重大部件工地现场加工工位表面平面度的要求，在工位的现场施工方案设计上充分考虑工位基础的强度、调平的可操作性及其精度，使其在能满足水轮发电机组大件加工工艺要求、不同机组厂家设计布置方案要求的同时，成功解决了深山峡谷地区大型机组的大件运行及现场加工制造加工的技术难题，可以广泛应用于水利水电工程技术领域。
5.本发明的目的是通过如下措施来达到的：大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法，至少包括如下步骤：
6.(a)针对不同厂家大件的不同加工工位基础对不同大件加工工位工艺要求及受力进行分析，所述的大件至少包括水轮机转轮、和发电机下机架(含中心体)；
7.(b)工位基础锚杆直径及埋深计算，所述的工位基础锚杆包括抗拔锚杆和调平锚杆；
8.(c)调平锚杆工位粗调；
9.(d)成对楔子板工位精调；
10.(e)工位基础混凝土振捣浇筑；
11.(f)复测工位水平度。
12.在上述技术方案中，所述大件加工工位工艺要求及受力分析，是通过分析水轮发电机组现场加工大件的组装工艺要求及组装过程，并计算确定加工过程中的基础受力分布及基础载荷。
13.在上述技术方案中，所述的工位基础锚杆直径及埋深计算，至少是依据《水工混凝土结构设计规范-dlt5057-2009》、《岩土锚杆(索)技术规程cecs 22：2005》、和《美国线路结构规范asce10-1997》的计算规范，在所述的大件加工工位工艺要求及受力分析得出的加工工位基础受力分布及基础载荷的基础上，对包括抗拔锚杆和调平锚杆基础锚杆的布置、直径、埋深进行计算确定。
14.在上述技术方案中，所述的调平锚杆工位粗调，是通过采用水泥砂浆进行开挖基岩面找平和划线，并在开挖基岩面上定位调平锚杆和抗拔锚杆钻孔位置后钻孔，钻孔深度满足所述的埋深要求；通过调节调平角钢上的调平锚杆及其配套螺母进行工位粗调平，待各工位基础表面水平度≤1mm/m时，在调平角钢基础钻孔内灌浆直至终凝。
15.在上述技术方案中，所述的成对楔子板工位精调，是基于调整空间计算选择成对楔子板的斜度及外形尺寸，通过调整成对楔子板的搭接度精密调整工位基础的平面度，并保证水轮发电机组各个工位基础工作面的安装误差同时满足：水平度≤0.1mm/m，最大水平差≤1mm的大件组装工艺要求。
16.在上述技术方案中，所述的工位基础混凝土振捣浇筑，是待工位基础表面水平度达到安装要求后，压紧工位基础抗拔锚杆配套螺母，并浇筑混凝土，在浇筑混凝土的过程中不断复测工位基础表面水平度，确保混凝土浇筑过程中所有工位整体平面度满足目标要求。
17.本发明大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法具有以下有益效果：
18.(1)按照本发明所提出的每个关键步骤的技术特征实施，能够有效保证水轮发电机组重大部件在工地现场组装的精度满足工艺要求；
19.(2)本发明方法可以同时适应不同制造厂的工艺方案、差异的配套需求、场地条件限制以及其他影响因素，可成功解决了深山峡谷地区大型机组的大件运行及现场加工制造加工的技术难题。
附图说明
20.图1为本发明的平面布置图。
21.图2为图1的n处放大图。
22.图3为图1的t1-t1向剖视图。
23.图4为图1的t2-t2向剖视图。
24.上述图3中，b表示混凝土浇筑；d表示调平锚杆钻孔。
25.上述图4中，a表示开挖面；b表示混凝土浇筑；c表示抗拔锚杆钻孔。
26.图中：1-调平锚杆，2-抗拔锚杆，3-调平角钢，4-成对楔子板，5-工位基础，51-工位槽。
具体实施方式
27.下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但该实施例并不应理解为对
本发明的限制，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
28.参阅附图可知：大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法，至少包括如下步骤：
29.(a)针对不同厂家的不同工位基础对大件加工工位工艺要求及受力进行分析，所述的大件至少包括水轮机转轮、和发电机下机架中心体；
30.根据机组大件(或称重大部件)尺寸及运输条件，大型水轮发电机组需现场加工的重大部件主要为水轮机转轮和发电机下机架中心体两大部件。
31.水轮机转轮在工地进行组焊加工工序组成至少包括：上冠、下环分瓣件的组焊、散件画线、装配、焊接、整体翻身、探伤、退火、车削加工和镗孔、转轮静平衡、整体平吊转运；
32.下机架中心体在工地进行组焊加工工序组成至少包括：散件装配、焊接、探伤、退火、车铣加工和钻孔、喷砂、整体平吊转运、涂漆；
33.根据每个重大部件的工艺要求及重量，分析确定加工过程中的加工工位受力分布及基础载荷。
34.(b)工位基础锚杆直径及埋深计算，所述的工位基础锚杆包括抗拔锚杆和调平锚杆；
35.工位基础锚杆直径计算和锚杆埋深所依据的计算规范包括：《水工混凝土结构设计规范-dlt5057-2009》、《岩土锚杆(索)技术规程cecs 22：2005》、《美国线路结构规范asce10-1997》等。
36.在第(a)步“大件加工工位工艺要求及受力分析”得出工位基础受力分布及基础载荷的基础上，对基础锚杆的布置、直径、埋深进行计算。
37.1)基础锚杆埋深计算
38.根据《水工混凝土结构设计规范-dlt5057-2009》中对普通受拉钢筋最小锚固长度规定如下表1所示：
39.表1 普通受拉钢筋最小锚固长度(d表示钢筋直径)
[0040][0041]
根据转轮加工厂浇筑混凝土强度等级并结合规范要求，初步按照上表1计算抗拔锚杆和调平锚杆的锚固长度。
[0042]
同时，依据《岩土锚杆(索)技术规程cecs 22：2005》，锚杆锚固段的长度还需按如下(1)式和(2)式计算，并综合比较取较大值：
[0043][0044][0045]
其中，各个变量所表示含义如下：
[0046]
k-锚杆锚固体的抗拔安全系数；
[0047]nt-锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值；
[0048]
l-锚杆固定段长度；
[0049]fmg-锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值(kpa)，根据转轮加工厂的地质条件取值；
[0050]fms-锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值(kpa)，根据转轮加工厂的地质条件取值；
[0051]
d-锚杆锚固段的钻孔直径(mm)；
[0052]
d-钢筋或钢绞绳的直径(mm)；
[0053]-锚固长度对粘结强度的影响系数，取值1.3～1.6；
[0054]
ε-采用两根或两根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数，取0.6～0.85；
[0055]
n-钢筋或钢绞线根数，取值1；
[0056]
2)锚杆强度校核
[0057]
根据《asce10-1997美国线路结构规范》，对于锚杆所需横截面积as的计算公式如下：
[0058][0059]
其中各个变量含义如下：
[0060]
t-锚杆所受拉力，kn；
[0061]
v-锚杆所受剪力，kn；
[0062]fy-锚杆材料屈服强度，mpa；
[0063]
μ-摩擦系数，一般取0.7。
[0064]
(c)调平锚杆工位粗调；
[0065]
根据水轮发电机组各个大件组装工艺要求，各个工位基础工作面之间安装误差需要同时满足：水平度≤0.1mm/m；最大水平差≤1mm。
[0066]
为了达到上述目标要求，工位基础调平分粗调和精调等两步进行，其中采用调平锚杆1对各工位基础5粗调平的主要步骤如下：
[0067]
1)首先需清除开挖基岩碎石，回填固结灌浆，并在基础开挖面高程采用水泥砂浆进行开挖基岩面找平；
[0068]
2)在找平开挖基岩面上划线，在开挖基岩面上定位调平锚杆1和抗拔锚杆2的钻孔位置并钻孔，要求钻孔深度满足步骤2中计算得到的基础锚杆锚固长度的要求；
[0069]
3)通过调平角钢3上的调平锚杆1及其配套螺母进行工位基础5粗调平，待各工位基础5表面水平度≤1mm/m，在调平角钢基础钻孔内灌浆直至终凝。
[0070]
(d)成对楔子板工位精调；
[0071]
待调平锚杆和抗拔锚杆灌浆终凝后，需通过成对楔子板对大件基础进行精调。
[0072]
采用成对楔子板对各工位基础进行精调平的步骤如下：
[0073]
1)楔子板组上下表面在安装前应该涂耐水性较好的润滑脂，使滑动自如，无卡阻现象；
[0074]
2)在步骤c中采用调平锚杆1对工位基础5进行粗调的基础上，根据工位基础5与调平角钢3之间的距离计算选择成对楔子板4的斜度及外形尺寸，并将成对楔子板4布置于工位基础与调平角钢之间，通过调整成对楔子板4的搭接度精密调整工位基础5平面度；
[0075]
3)楔子板4在工位基础5调平后和混凝土浇筑前，一组楔子板互相之间、楔子板与工位基础平台之间用定位焊焊牢；
[0076]
4)每一个由楔子板组合而成的垫铁组应放置整齐平稳，接触良好。
[0077]
(e)工位基础混凝土振捣浇筑；
[0078]
待工位基础5表面水平度达到水平度≤0.1mm/m、最大水平差≤1mm的大件组装工艺要求后，压紧工位基础5上的抗拔锚杆2的配套螺母，并浇筑混凝土。
[0079]
(f)复测工位水平度。
[0080]
在浇筑过程中随时捣实灌浆层，并不断复测工位基础的安装水平度，确保混凝土浇筑过程中所有工位整体平面度满足目标要求。
[0081]
本发明所述大型水轮发电机组大件现场加工工位的设计方法设计的大型水轮发电机组大件现场加工工位结构，包括调平锚杆1、抗拔锚杆2、工位基础组和调平角钢组，
[0082]
混凝土浇筑b结构位于开挖面a内，且位于调平角钢组上方，混凝土浇筑结构与工位基础组上端齐平；
[0083]
调平角钢组位于开挖面a的开挖基岩的上方；
[0084]
多个工位基础组横向间隔设置在开挖面a上；多个工位基础组之间通过调平角钢组连接；工位基础组包括多个工位基础5，多个工位基础5纵向对接(如图1、图2所示)；
[0085]
工位基础5上设置开口向上的工位槽51(如图3、图4所示)；
[0086]
调平角钢组有多个，多个调平角钢组呈纵向间隔设置；
[0087]
调平角钢组包括多个调平角钢3，多个调平角钢3呈横向间隔设置(如图2所示)；
[0088]
调平角钢3位于工位基础5下方、且位于纵向对接的二个工位基础5的连接处(如图1、图2、图3所示)；
[0089]
抗拔锚杆2设置在工位基础5上(如图1、图4所示)；
[0090]
调平锚杆1设置在调平角钢3上(如图1、图3所示)；
[0091]
开挖面a的开挖基岩上设置调平锚杆钻孔d和抗拔锚杆钻孔c；通过采用水泥砂浆进行开挖基岩面找平和划线，并在开挖基岩面上定位调平锚杆和抗拔锚杆钻孔位置后钻孔，钻孔深度满足所述的埋深要求；
[0092]
调平锚杆1的上端通过调平锚杆螺母安装在调平角钢3上、下端向下伸入调平锚杆钻孔d内；通过调节调平角钢上的调平锚杆及其配套螺母进行工位粗调平，待各工位基础表面水平度≤1mm/m时，在调平角钢基础钻孔内灌浆直至终凝，完成调平锚杆工位粗调；
[0093]
抗拔锚杆2的上端通过抗拔锚杆螺母安装在工位基础5上、下端向下伸入抗拔锚杆钻孔c内；抗拔锚杆2位于工位槽51两侧；基于调整空间计算选择成对楔子板的斜度及外形尺寸，通过调整成对楔子板的搭接度精密调整工位基础的平面度，并保证水轮发电机组各个工位基础工作面的安装误差同时满足：水平度≤0.1mm/m，最大水平差≤1mm的大件组装工艺要求，成对楔子板工位精调。
[0094]
进一步地，所述大型水轮发电机组大件现场加工工位结构还包括垫铁组；垫铁组布置于工位基础组与调平角钢组之间。
[0095]
进一步地，垫铁组包括多组成对楔子板4；成对楔子板4布置于工位基础5与调平角钢3之间。
[0096]
进一步地，调平锚杆1有多根，调平角钢3两端均设置调平锚杆1。
[0097]
更进一步地，在工位基础5的长度方向上间隔布置多根抗拔锚杆2；
[0098]
工位基础5两侧对称布置抗拔锚杆2。
[0099]
实施例
[0100]
本发明提出的一种适用于大型水轮发电机组水轮机转轮及发电机下机架(或称重大部件)现场加工工位基础的设计方法，至少包括的加工工位工艺要求及受力分析，工位基础锚杆(包括调平锚杆和抗拔锚杆)直径及埋深计算，调平锚杆工位粗调，成对楔子板工位精调，工位基础混凝土振捣浇筑，复测工位水平度等六个关键步骤，如图1和图2所示。
[0101]
以国内某大型水电站为例，针对机组厂家a和机组厂家b两个厂家重大部件工位基础方案的不同，采用本发明提出的方法分别有针对性的设计了基础抗拔受力锚杆及调平方案。
[0102]
(1)加工工位工艺要求及受力分析
[0103]
两个厂家提供的工位基础不同，其中厂家a提供的工位基础为1.0m
×
1.0m
×
0.06m、1.2m
×
1.2m
×
0.06m、2.5m
×
2.5m
×
0.1m等不同规格的钢板，厂家b提供的工位基础为2.0m
×
0.36m
×
0.1m、1.5m
×
0.36m
×
0.1m等不同规格的平台槽铁。
[0104]
根据厂家a和厂家b提供的某电站转轮加工厂转轮组焊工位加工工艺过程，该工位为转轮翻转工位，在转轮翻转时，工位基础支柱及基础板承受向内倾翻力矩，工位基础的上游和下游侧受最大拉拔力为25t。
[0105]
(2)加工工位工艺要求及受力分析
[0106]
针对转轮组焊工位承受倾翻力矩的的受力特点，工位基础单边设置φ28mm抗拔锚杆和调平锚杆各两根。
[0107]
1)基础锚杆埋深计算
[0108]
该水电站转轮加工厂浇筑混凝土强度为c30，根据本发明表1所示规范要求，抗拔锚杆锚固长度为1120mm(40
×
28mm)。
[0109]
同时，根据本发明中公式(1)和公式(2)锚固长度计算结果如下：
[0110][0111][0112]
其中，各个变量所表示含义如下：
[0113]
k-锚杆锚固体的抗拔安全系数；
[0114]nt-锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值；
[0115]
l-锚杆固定段长度；
[0116]fmg-锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值(kpa)，根据转轮加工厂的地质条件取值；
[0117]fms-锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值(kpa)，根据转轮加工厂的地质条件取值；
[0118]
d-锚杆锚固段的钻孔直径(mm)；
[0119]
d-钢筋或钢绞绳的直径(mm)；
[0120]-锚固长度对粘结强度的影响系数，取值1.3～1.6；
[0121]
ε-采用两根或两根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数，取0.6～0.85；
[0122]
n-钢筋或钢绞线根数，取值1；
[0123]
根据上述公式(1)，锚杆锚固段的长度计算值为：1.5m；
[0124]
根据上述公式(2)，锚杆锚固段的长度计算值为：1.6m。
[0125]
其中，公式(1)和公式(2)中各个变量取值如下：
[0126]
k-锚杆锚固体的抗拔安全系数，取2.2；
[0127]nt-锚杆或单元锚杆的轴向拉力设计值，250kn；
[0128]
l-锚杆固定段长度；
[0129]fmg-锚固段注浆体与地层间的粘结强度标准值kpa，根据转轮加工厂的地质条件为硬岩，取值1600kpa；
[0130]fms-锚固段注浆体与筋体间的粘结强度标准值kpa，根据转轮加工厂的地质条件为硬岩，取值3000kpa；
[0131]
d-锚杆锚固段的钻孔直径mm，为56mm；
[0132]
d-钢筋或钢绞绳的直径mm，28mm；
[0133]-锚固长度对粘结强度的影响系数，取值1.3～1.6；
[0134]
ε-采用两根或两根以上钢筋或钢绞线时，界面的粘结强度降低系数，取0.6～0.85；
[0135]
n-钢筋或钢绞线根数，n为正整数，取值1；
[0136]
由此可知，综合比较基于表1、公式(1)、公式(2)的计算结果，根据岩土锚杆(索)技术规程，锚杆锚固段的长度计算值为1.6m。同时考虑抗拔锚杆的部分长度位于岩石内，且岩石爆破时对其整体性及强度会有一定破坏，因此预留一定余量，所以最终基础锚杆的锚固长度取值2000mm。
[0137]
2)锚杆强度校核
[0138]
根据锚杆所选用材质三级钢，材料为hrb400，其屈服强度为400mpa，所选用锚杆直径为φ28mm，因此所能够承受的极限拉力和剪力为91.83kn，所以工位基础单边四根锚杆可以承受的极限拉力和剪力共为367.32kn，约为该工位转轮翻身时实际侧翻拉力250kn的1.5倍。综上所述，本方案锚杆选材及长度设计可以满足要求。
[0139]
(3)调平螺杆工位粗调，(4)成对楔子板工位精调，以及(5)工位基础混凝土振捣浇筑；
[0140]
对于厂家a的钢板基础，根据各个不同工位承受载荷的大小，在基础开挖面上钻基础调平用孔，且钻孔的规格为φ56mm，深1.9m；通过在钢板底部焊接φ25mm的圆钢地锚，并将规格为φ28mm、l＝2m带螺纹的调平螺杆安装于φ56mm的调平孔中，通过调平螺杆和螺母调整钢板平整度，待钢板基础平面度达到工艺要求后(工位基础水平度≤0.1mm/m，最大水平差≤1mm)，一次浇筑混凝土至工位基础地面高程。
[0141]
对于厂家b的槽铁基础，首先在岩石开挖面上钻φ56mm、深1.7m的槽铁调平孔和基
础孔，然后将φ28mm、l＝2m带螺纹的调平螺杆和基础锚杆分别安装于φ56mm的调平孔和基础孔中，将若干l100mm
×
100mm的等边角钢与槽铁调平螺杆固定，并将槽铁放置于等边角钢之上，通过调平螺杆和螺母并辅以楔子板来调整槽铁平整度，待其满足工艺要求后(工位基础水平度≤0.1mm/m，最大水平差≤1mm)，一次混凝土浇筑至工位基础地面高程。
[0142]
(6)复测工位水平度
[0143]
在浇筑过程中随时捣实灌浆层，并不断复测工位基础的安装水平度，确保混凝土浇筑过程中所有工位整体平面度满足目标要求。
[0144]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
[0145]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。