大型水电站水轮机座环现场加工及主要问题分析处理

大型 水电站水轮机 座环现场加工及主要问题分析处理

李 壮

（中国 葛洲坝集团机电建设有限公司，四川成都 610073 ）

摘要：大型水电站机组座环尺寸大、重量重，必须在现场组焊后进行现场机加工。本文对以国内某水电站机组座环现场加工为例，对座环的现场加工设备、工艺等方面进行了介绍，并对加工中出现的问题进行了分析与总结，以此为同类机组提供必要的参考。

关键字：水轮机；座环；现场加工工艺；大型水电站。

一、概述

某水电站以发电为主，兼有防洪、航运、养殖等综合效益，共装有9台单机容量为700MW的水轮发电机组。水轮机座环由上下环板、大舌板和23个固定导叶等组成，组装后其内、外径分别为8010mm、11920mm，总重量为243.5吨。上下环板材料采用hiten 610-Z35的具有Z向性能要求的调质钢，在厂内焊接制造，经退火处理后进行粗加工，然后分4瓣运抵工地，在现场组焊为整体吊入机坑安装，再进行蜗壳挂装、焊接与砼浇筑。为了消除座环组焊、蜗壳焊接与砼浇筑引起的座环变形，现场需通过座环精加工加以弥补，从而确定出导水机构的净空高度和导叶的端面间隙。

二、座环现场加工工艺

2.1加工范围及裕量

在水轮机埋设件安装完毕后，开始进行水轮机座环现场加工。水轮机导水机构与座环的安装法兰面之间为全面接触，现场加工的方法采用整体铣销加工，主要加工部位：a.座环上环板环带及密封槽；b.座环下法兰平面及环带；c.基础环法兰环带的加工；d.座环下环板内环面。

某水电站座环现场加工的主要部位与加工裕量见图1:

图1 某水电站座环现场加工部位与加工裕量示意图

2.2现场加工设备与工艺

座环现场加工工具采用立式专用铣床，由水轮机设备制造厂家为现场加工专门设计的，可以对座环轴向、径向不同加工面进行整体铣销加工。该设备由提供，主要由安装基础、可调整底座、回转座、立柱、前臂、后臂、升降架、转臂升降传动系统、滑台、铣销头、支撑机构及电器控制系统等组成，组装后总重量约40吨。安装基础与支撑机构分别与尾水锥管和机坑里衬焊接在一起，焊脚12mm，以增加稳定性。铣床立柱的垂直度、中心通过调整可调整底座垂直与水平方向的螺栓达到。铣床前臂布置铣销头、滑台，后臂布置配重块、电气控制柜，前、后臂通过升降架、紧固件、转臂升降传动系统与立柱连接在一起。铣头电机功率5.5kw，工作转速356rpm，变频调速，竖直方向进给行程300mm，水平方向行程2400mm，最大铣削深度2mm。转臂回转采用伺服电机驱动，额定功率3kw，加工时回转转速0.01rpm，最大输出矩6300Nm，电机转速2.96rpm；转臂升降驱动功率4kw，升降速度720mm/min，升降行程4500mm。

某水电站座环现场加工设备结构示意图见图2：

图2 某水电站座环现场加工设备结构示意图

立式铣床安装完毕，先进行调整其精度，主要表现：铣床中心与座环上下镗口最佳中心的同心度小于0.50mm，主柱的垂直度不大于0.05mm/m，在旋转支臂前端放置框式水平尺或合像水平尺，检查前臂水平小于0.05mm/m，检查圆周4个方向水平进刀滑台的水平小于0.02mm/m，检查圆周8或16个方向旋转支臂的水平小于0.02mm/m。铣床调整完毕，进行现场机加工。因为座环是机组安装的基准部件，其加工精度将直接影响到后续机组设备的安装精度，所以应严格按照加工图纸要求进行，对每个加工工序的测量均采用精密水准仪、铟钢尺进行并做好记录。座环加工时，选取固定导叶中心线平面为第一基准平面，其平面位置是对所有固定导叶中心线高程测量的平均值进行确定的，然后以第一基准平面为基准加工座环上环板面，加工好的座环上环板面做为第二基准平面，再以第二基准平面为基准加工座环下法兰面基准面，最后进行基础环法兰环带的加工。也就是说，加工面加工顺序按照自上而下进行加工至所需尺寸，为保证加工质量，粗加工时每次进刀量控制在0.2～0.6 mm范围内，精加工时每次进刀量控制≤0.2 mm。由于水轮机座环现场加工的工程量比较大，占用的工期较长，若安排1名操作工，2～3名辅助工，两班倒工作，需加工时间为2个月左右（包括铣床安装与调整）。

三、现场加工主要问题分析与处理

3.1加工面水平度控制

某水电站座环加工面水平度精度要求高，控制在0.20mm内。另外，从结构上看：座环尺寸大，加工面积大，部分加工面上布置一定数量的孔与环带，势必造成加工过程中的断续铣削和冲击力；从材料上看：水轮机座环环板采用的材料，一般力学性能及硬度偏高，这些都将对加工面铣削加工的水平度构成影响。因此，座环现场加工中加工面水平度控制为主要难点，稍不慎就会超标。

解决上述难点，需从以下几个方面考虑：

（1）铣床调整精度与稳定性尽量高，可以消除机床本身误差对座环加工精度的影响。

（2）选择定位精度高、抗冲击、耐磨性好的刀具，可减小加工过程中断续切削和冲击力产生的不利影响，减少切屑瘤带来的不利因素。

（3）切削参数的选择要控制好，避开形成切屑瘤的切削速度及最后一刀的切速、切深、进刀量二者匹配关系。

（4）选用精密水准仪、铟钢尺进行测量，并将精密水准仪布置在升降架上调平，与铣床一起旋转测量，减小了测量夹角不同影响的对量误差。

3.2基础环法兰面加工露出厂内焊缝问题

基础环法兰面环带加工裕量为5mm，但是在现场加工到3mm左右时，发现基础环法兰与不锈钢的环板的焊缝露出，并且有5mm的间隙，该焊缝间隙内夹杂焊条头等金属物。出现此问题的主要原因为：基础环法兰与不锈钢环板的设计间隙为0mm，但设备制造厂在基础环法兰制造时内径配割比设计值过大，导致该间隙超标，焊接时又在超标的间隙内夹杂焊条头等金属物；基础环法兰与不锈钢环板连接的焊缝上坡口深度为27.5mm，但设备制造厂在基础环法兰与不锈钢环板焊缝焊接前未配割焊缝上坡口，只是焊接了基础环法兰与不锈钢环板形成的角焊缝。

基础环法兰与不锈钢环板焊接结构见图3：

图3 基础环法兰与不锈钢环板焊接结构图

针对出现的上述问题，现场采用以下处理措施：

（1）对基础环法兰面整个圆周方向的焊缝位置，采用碳弧气刨进行刨开，特别是夹杂的焊条头等金属物一定要刨除干净，气刨深度为20mm，宽度15～25mm，然后打磨光滑。

（2）采用履带式陶瓷电加热板加热，预热80-110℃，并保温约1小时，在距离焊缝中心线两侧各100mm处任意点测量温度均在80℃以上即可开始焊接。

（3）采用直径为φ4.0mm、型号为GB/T5117——E5015碳钢焊条，每班8人同时对称焊接，采用多层多道焊接，每层进行锤击效应，直至焊缝模糊。

（4）焊接完毕后，对该焊缝进行100%外观质量检查，外观质量检查合格后，进行100%PT和100％UT检验并合格。

3.3导水机构高度控制问题

某水电站水轮发电机组结构复杂，安装精度高，并具有自身的特点，在安装施工中需高质量要求。导水机构是水轮机安装的重要部分，而导叶端面间隙问题解决的好坏直接关系到导水机构安装的质量。因此，在座环机加工时必须控制好导水机构高度，从而确保导叶端面间隙的控制质量。

影响导叶端面间隙变化的主要因素有：

（1）机组安装时底环（或顶盖）的抗磨板会产生上拱（或下拱）的现象，从而与设备间存在间隙。

（2）导水机构是有许多钢性部件通过焊接、螺栓把合等方式组成，在制造、运输、安装、水力等阶段将产生应力释放。

混凝土浇筑的密实情况不均匀，机组安装时会对蜗壳、座环等钢性部件产生应力释放。

（3）施工环境温度对导叶、蜗壳、座环等钢性部件会产生不同程度的变形。

（4）针对导叶端面间隙在机组安装中因各种因素影响发生变化这种现象，在座环机加工时，必须控制好导水机构高度数据，并且在导水机构设计高度的数值上加上一定的不均匀系数δ，在某水电站座环机加工时取δ＝0.40mm。

四、结 语

座环现场机加工占用了机组安装的直线工期并增加了现场工作量，但它消除了蜗壳焊接与砼浇筑产生的变形，更重要的是提高了机组安装的精度。某水电站各机组座环现场机加工均用了近两个月时间，并且加工质量优良，特别是从已经投产发电的机组来看，导叶端面间隙在机电联调时均符合厂家设计要求，效果良好。

作者简介：李 壮（1979-），男，工学学士，河北石家庄人，高级工程师，从事水电站机电安装、检修与管理工作。

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