中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局四川彭山620860
摘要：近年来我国水力发电建设突飞猛进，开发条件好、投资回报高的各型电站均得到了前所未有的蓬勃发展，后续的水电建设势必逐渐向蓄能、潮汐，以及低水头卧式和高水头冲击式机型倾斜。其中高水头冲击式水电机组由于其投资低、见效快、转速高、效率高、尺寸相对较小、重量轻、能量及经济指标优等特点，成为目前在山区小水电工程中普遍选择的机型，但此类电站处于深山峡谷之中，修建临时施工道路成本巨大或根本无法修建，致使在该类水电站压力管道施工中的钢管运输、安装施工成为制约工程进度、质量的关键。本文通过苏巴姑水电站压力钢管安装工程中成功应用的关键技术，借此为后续同类型水电站压力钢管施工提供参考依据，其成功的技术应用在后续电站建设中必将有广阔的应用前景。
关键词：苏巴姑压力钢管安装关键技术
1工程概况
苏巴姑水电站位于四川省凉山彝族自治州昭觉县境内，是美姑河右岸支流古里沟“一库三级”梯级开发的最后一个电站，采用引水式开发；装机容量2×26MW，电站设计最大水头1209.6m，额定水头1175.0m，根据查新报告显示，该电站设计水头为目前亚洲最高水头的水电站。
苏巴姑电站压力钢管采用隧洞式明管、沟槽式外包砼埋管、明管、隧洞式埋管和外包钢筋砼埋管等，可谓“电站压力钢管博物馆”。钢管全长约2257.6m，工程总量约1660t，主管内径φ1.2m，壁厚12mm～36mm，材质为16MnR和WDL610D2；岔管紧接下平段主管末端，属“斜Y”型布置的内加强型月牙肋地下埋管，分岔角50º，壁厚为24mm～28mm，材质B610CF；2条支管前段内径为φ0.8m及φ0.8m～φ0.6m变径，支管末端内径φ0.6m，壁厚24mm～30mm，材质为B610CF和WDB620。压力管道布置图如下所示：
图1苏巴姑电站压力管道布置图
2施工特点和难点
苏巴姑电站地理位置特殊，大部分压力管道安装位于悬崖峭壁之中，无法修建临时施工运输通道，明管段施工气候条件异常恶劣；压力管道水压试验常规闷头设计无法满足试验需求等。以上特殊性的存在，导致压力管道在安装过程中存在诸多技术难点和施工安全风险，主要技术难点统计如下：
（1）地理位置特殊，明管段与下平段之间全是悬崖峭壁，无法修建临时施工运输通道，明管段和竖井内压力管道运输成为制约工程总体进度关键难点。
（2）苏巴姑电站压力管道明管段管线长近800m，长期处于气温变化的极端环境，昼夜温差可到达26℃、冬天夜间结冰、山脊施工常有大风等，从而导致钢管热胀冷缩变化幅度大，滑动支座和波纹管的安装质量和压力管道的焊接质量控制难度大。
（3）电站水头属于超高水头电站，必须对其工作压力较大部分的3#号斜井、下平段、岔支管、球阀、配水环管及喷嘴进行14.83MPa联合水压试验，其试验工艺、试验安全技术保证措施以及具体实施等均存在巨大风险。
3关键技术
（1）明管及竖井压力钢管索道运输技术
电站安装沟槽外包混凝土钢管和明管部分的1800m至1500m高程位于山脊之上，且一侧是高深悬崖，从明管与埋管的分界点1500米至厂房下平段明管之间垂直高差近900m，基本属垂直悬崖绝壁，再加之所在地深山峡谷、气候多变，飞石滚石和泥石流多发，钢管安装运输问题成为了制约建设进度的关键。最终通过方案比选，我们选定建立索道运输系统，将压力钢管先运输至1500m高程，埋管部分从1500m高程溜放就位，明管部分再从1500m高程用索道运输至1800m高程，再用索道进行二次运输完成压力管道就位。
索道运输系统布置图及布置说明如下：
图2索道安装布置图
依据主要构件重量、运输部位及能力需求，共设计、制造、安装5条索道，其性能指标、安装布置为：
1#索道（附件运输）：从厂房对面600m至竖井1500m高程，起吊重量0.6t，水平跨距852.6m，垂直运输高度736m，索道路程1125m，往返周期66分钟；
2#、4#索道（钢管运输）：从厂房对面600m至竖井1500m高程，起吊重量4t，水平跨距852.6m，垂直运输高度736m，索道路程1125m，往返周期分别为180分钟和90分钟；
3#索道（钢管运输）：从竖井1500m至1800m高程，起吊重量4t，水平跨距715m，垂直运输高度386.8m，索道路程812m，往返周期180分钟；
5#索道（钢管溜放）：从明管1800m至明管1600m高程管节各安装位置，起吊重量2t，长度300m，往返周期48分钟。
通过实践证明，该索道运输系统科学合理，不但满足压力管道安装进度需求，同时也用于土建水泥、钢筋、模板等运输，运行安全可靠，成本低。在高山深壑环境下，索道运输系统代替了临时施工公路，直接节约施工成本近亿元人民币；超长极限高差索道制造、安装工艺可广泛推广使用。
（2）移动式焊缝防护笼
根据苏巴姑电站明管段施工时气候多变、管线长、管径小、无运输便道等特点，压力管道焊接防护装置设计必须满足移动快速、结构简单实用、能防风、防雨保温等特点。基于上述情况，我公司设计、制造、安装使用了“移动提升防护笼”，其形式见下图所示：
图3移动提升防护笼
该“移动提升防护笼”结构简单、成本低、使用方便，成功解决了大风、大温差、经常性降雨等气候条件对焊缝焊接效率和质量的干扰，同时也解决了高水头电站小管径环缝焊接移动快、防护难的施工难题，节约明管段安装施工工期30天，同时也为类似电站施工提供了宝贵的施工经验。
（3）大温差环境下超长明管的波纹管及滑动支座安装工艺
苏巴姑电站压力钢管明管段处于昼夜温差变化大的恶劣环境，最大昼夜温差可达26℃，为保证在不同温度下波纹管伸缩长度与压力钢管热胀冷缩相匹配，特制定了波纹管“环境温度定位安装工艺”。该工艺首先确定了安装流程，依次为测量放点→压力管道就位→镇墩定位节钢管安装→定位节回填→两镇墩间管节安装→滑动支座安装回填→波纹管按温度计算后安装。
按照上述流程，当镇墩间管节和滑动支座均安装完毕验收合格后，拆除临时支撑，检验已安装压力管道，确保滑动支座能灵活滑动后，最后进行波纹管安装工作（相当于两镇墩间压力管道的凑合节进行安装）。当正式进入波纹管安装流程后，首先进行波纹管上、下游钢管几何位置测量，根据测量结果和环境温度计算波纹管安装长度理论值，配割上下游管节之间的距离，使其与计算理论值相符合，然后将波纹管调整到最短长度吊装就位、调整、临时固定。经再次检查无误后进行波纹管与一侧管节间焊缝焊接，依据理论计算值，调整波纹管的伸缩长度，焊接波纹管与另一侧焊缝，完毕后立即松开波纹管临时固定让其处于自由状态，并在不同气温下检查波纹管的伸缩量是否与理论计算相吻合，若不满足要求，必须割开某一侧管节与波纹管之间的焊缝，重新调整、焊接。
苏巴姑电站波纹管严格按照上述工艺执行，能使波纹管伸缩量准确量化匹配压力管道热胀冷缩变化值，在不同温度下经无水、有水时的检验，波纹管伸缩长度与对应镇墩压力管道热胀冷缩变化长度完全匹配，其最大误差不超过3mm。
（4）内置式平板闷头、针阀闷头研制
根据常规闷头（椭圆、蝶型、球型、锥型、平板闷头）的设计选用原则，按苏巴姑压力钢管水压试验压力14.83MPa进行选型计算、校核，常规闷头如用于本次水压试验，均存在制作工艺复杂，制造成本高等问题，也不能满足下游侧闷头需与喷嘴口进行螺栓连接的要求。因此，针对水压试验的范围、闷头安装位置和连接要求，经过反复论证自行设计了适合高水头、小直径压力管道的内置式平板闷头和适用于与喷嘴连接的针阀闷头。
其中内置式平板闷头平面封板的固定方式为内置式，封板和其钢管之间可以双面焊接，增加了结构强度；封板与封板后侧钢管内的加强板形成梁系结构联合受力，可减小封板板厚，便于加工制造，且闷头仅需与钢管焊接一条焊缝，安装焊接方便；针阀闷头制作简单、安拆方便、成本低、安全性能高，可联合压力管道、球阀、配水环管和针阀喷嘴整体进行水压试验，适合推广于所有冲击式机组配水环管、喷嘴水压试验。
（5）超高水压试验
苏巴姑电站压力钢管设计最大水头为1209.6m，是目前亚洲水头最高的水电站压力钢管，水压试验的范围主要包括：3#斜井段、下平段、1#、2#球阀、1#、2#机配水环管、1#、2#机喷嘴；压力钢管水压试验主要包括试验准备、充水、升压、保压、检查、泄压、放水等步骤组成，水压试验最高试验压力值为14.83MPa。
水压试验中升压过程采用阶梯式升压，压力分别达到5MPa、7.5MPa、10MPa、11.5MPa、13MPa、14MPa、14.83MPa时，停止升压，稳压10min~30min，对试验段压力钢管进行全面检查。水压试验所需达到最大压力值远高于一般电站水压试验，因此，在水压试验过程中，关键是确保试验的安全可靠，需要对试验装备进行仔细的检验，编制详细的水压试验方案。在试验过程中，严密监视压力钢管、闷头、球阀、针阀壳体等部位的变化，发现异常情况需立即停止试验并报告。
在压力钢管升压及稳压过程中，整个试验压力钢管段无渗水现象，无可见的异常变形移位（安装百分表检查），混凝土无裂缝、临时支墩无异常变位，无异常声响，说明压力钢管能够承受试验压力下的水压，试验段的压力钢管制造安装质量安全可靠。同时在水压试验过程中，还采用了应力测试片，对主要受力部位进行了内应力的检测，检测结果显示最大内应力未超过材料许用应力的2/3，试验段压力钢管受力情况符合设计计算数据，能够安全运行。
4结束语
综上所述，通过我单位在亚洲最高水头水电站苏巴姑水电站压力钢管安装工程施工中，成功应用的压力钢管索道运输、移动式焊缝防护笼、波纹管及滑动支座安装技术、压力试验闷头设计和超高水压试验等多项关键施工技术的总结，借此为后续同类型水电站压力钢管施工提供可参考借鉴的经验。
作者简介
罗丽（1981—）女，四川绵阳人，长期从事水电站机电设备安装技术和质量管理工作。