譚哲文
(湖南澧水流域水利水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 長(zhǎng)沙市 410014)
王澤虎 賀天良
(湖北省漢江水利水電集團(tuán)有限責(zé)任公司 丹江口市 442700)(91919部隊(duì)10分隊(duì) 黃岡市 438600)
丹江口水電站是漢江上一座具有防洪、發(fā)電、調(diào)水、灌溉、養(yǎng)魚(yú)等綜合作用的大型水電工程,其壩址位于湖北丹江口市境內(nèi),共裝有6臺(tái)150 WM水輪發(fā)電機(jī)組,1968年10月首臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行,1973年10月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。大壩初期正常蓄水位157 m,南水北調(diào)中線水源工程丹江口大壩加高后,正常蓄水位將提高至170 m[1]。5#發(fā)電機(jī)于2008年5月改造完畢,4#發(fā)電機(jī)于2009年10月改造完畢。
4#、5#水輪發(fā)電機(jī)均為東方電機(jī)廠制造,定子鐵芯高1 800 mm,內(nèi)徑12 084 mm,外徑12 810 mm,整個(gè)鐵芯沿軸向共有45段,每段鐵芯高34 mm(首末端高37 mm),分布43個(gè)徑向通風(fēng)溝,通風(fēng)溝高度6 mm,定子沖片采用0.50 mm厚的50 WW270硅鋼片,每張沖片有兩個(gè)鴿尾槽。
定子鐵芯利用108根雙鴿尾定位筋與定子機(jī)座相連,雙鴿尾定位筋一端固定在定子沖片的鴿尾槽內(nèi),另一端由托塊固定,托塊焊在定子機(jī)座上,托塊與定位筋間有2 mm的間隙。
發(fā)電機(jī)定子鐵芯改造的基本流程是:定子鐵芯中心確定→鋼平臺(tái)安裝→回轉(zhuǎn)中心柱安裝、調(diào)整→第一根基準(zhǔn)筋安裝→大等分定位筋安裝→其余定位筋安裝→定位筋滿(mǎn)焊→下齒壓板安裝→鐵芯疊裝→磁化試驗(yàn)[2]。
對(duì)于新安裝的混流式機(jī)組而言,定子鐵芯的中心是以水輪機(jī)下迷宮環(huán)的中心而定,丹江電廠4#、5#水輪發(fā)電機(jī)組均為老機(jī)組且改造內(nèi)容不同,因此在確定定子中心的方法均有所不同,如表1所示。
表1 確定定子中心的方法
對(duì)于4#機(jī)而言,由于水輪機(jī)同時(shí)改造,在確定中心時(shí),采用同新機(jī)組確定中心的一樣方法,但不同的是,4#機(jī)從投入運(yùn)行至今已有40多年,下迷宮環(huán)表面光潔度以及圓度都不理想,因此在下迷宮環(huán)高度方向上取哪個(gè)截面的中心定位為下迷宮環(huán)的中心才合適,經(jīng)過(guò)商議,在下迷宮環(huán)高度方向分了3個(gè)截面(圖1所示),第一個(gè)截面設(shè)在離上沿20 mm處,第二個(gè)截面取在在下迷宮環(huán)與座環(huán)把合面處,第三個(gè)截面離下沿約20 mm處,每個(gè)截面沿圓周均勻設(shè)了8個(gè)測(cè)點(diǎn),通過(guò)測(cè)量三個(gè)截面的圓度,發(fā)現(xiàn)第二個(gè)截面測(cè)量的圓度較好,最大與最小直徑的偏差僅有0.30 mm,當(dāng)時(shí)選取這個(gè)截面主要是基于考慮到這個(gè)截面正好是位于把合面處,而把合面相當(dāng)于是整個(gè)下迷宮環(huán)的加強(qiáng)筋,可能此處的變形小,從測(cè)量的結(jié)果也驗(yàn)證了當(dāng)初的設(shè)想,同時(shí)為了進(jìn)一步確定以第二個(gè)截面來(lái)確定鐵芯中心的正確性,利用放于上機(jī)架上的求心器將鋼琴線調(diào)整到截面2的中心上,然后分別在上迷宮環(huán)、座環(huán)上搪口、舊定子鐵芯下端分別均勻選擇了8個(gè)測(cè)點(diǎn),用千分尺測(cè)量了各點(diǎn)到鋼琴線的距離,測(cè)量的數(shù)據(jù)表明上迷宮環(huán)、座環(huán)、舊定子鐵芯與下迷宮環(huán)的同軸度最大也僅有0.30 mm,特別是與座環(huán)的同軸度為0.20 mm遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》第5.1.3條款的規(guī)定:下迷宮環(huán)與座環(huán)的同軸度小于1.5 mm的規(guī)定[3],這也證明了我們確定的下迷宮環(huán)中心還是比較準(zhǔn)確的。
圖1 在下迷宮環(huán)高度方向的3個(gè)截面
鋼平臺(tái)是回轉(zhuǎn)中心柱的安裝基礎(chǔ),按照廠家提供的安裝工藝要求:鋼平臺(tái)直接擺放在下機(jī)架機(jī)坑的混凝土基礎(chǔ)平面上,并用楔子板將鋼平臺(tái)的四個(gè)支臂與機(jī)坑楔死,以防止鋼平臺(tái)徑向移動(dòng)。對(duì)于這種安裝方法,要求下機(jī)架機(jī)坑平面度要非常好,然而現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,機(jī)坑內(nèi)的混凝土基礎(chǔ)表面不平,鋼平臺(tái)放置后,基礎(chǔ)與鋼平臺(tái)接觸面小,容易造成鋼平臺(tái)穩(wěn)定性不好,同時(shí)由于楔子楔在支腿與混凝土之間,廠房?jī)?nèi)的振動(dòng)大,也容易造成楔子松動(dòng),為了保證鋼平臺(tái)安裝牢固,我們將用于下機(jī)架安裝的基礎(chǔ)板作為鋼平臺(tái)的擱放基礎(chǔ),由于基礎(chǔ)板低于周?chē)幕炷粒瑸榇藢?zhuān)門(mén)加工了4塊鐵板 (600 mm×300 mm×150 mm),將四塊鐵板用螺栓緊固在基礎(chǔ)板上,鋼平臺(tái)則裝于四塊鐵板上,并將鋼平臺(tái)與鐵板焊接在一起。
在調(diào)整回轉(zhuǎn)中心柱時(shí)發(fā)現(xiàn),回轉(zhuǎn)中心柱旋轉(zhuǎn)一周回到原點(diǎn)百分表表針總有大于0.05 mm的偏差,同時(shí)在停留某一測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)表針的抖動(dòng)量有0.02 mm,特別是轉(zhuǎn)到一定的角度整個(gè)測(cè)量臂都會(huì)發(fā)生振動(dòng),表針抖動(dòng)最大可以達(dá)到0.30 mm。經(jīng)過(guò)分析認(rèn)為造成以上現(xiàn)象的主要原因是:鋼平臺(tái)就位后,其4個(gè)支腿懸空的部分直徑達(dá)7 m左右,回轉(zhuǎn)中心柱裝于其上,鋼平臺(tái)中部在回轉(zhuǎn)中心柱自重的情況下,產(chǎn)生一定的下擾,同時(shí)在加上當(dāng)時(shí)機(jī)組開(kāi)的較多,整個(gè)廠房振動(dòng)比較大,以上兩種因素共同作用使得回轉(zhuǎn)中心柱產(chǎn)生抖動(dòng),要想解決以上問(wèn)題,必須在鋼平臺(tái)中部加以支撐,5#機(jī)改造時(shí)由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪未吊出,水輪機(jī)軸的上法蘭面離鋼平臺(tái)底部面僅有400 mm,因此在水輪機(jī)軸的上法蘭面上加裝了4個(gè)千斤頂分別支撐住鋼平臺(tái)的中部;4#機(jī)改造時(shí),水輪機(jī)已吊出機(jī)坑,無(wú)法利用以上的方法,因此在水車(chē)室的墻壁分別焊了4個(gè)支撐支住鋼平臺(tái)(圖2),通過(guò)采取以上措施,徹底解決了以上現(xiàn)象。
圖2 水車(chē)室的墻壁分別焊了4個(gè)支撐支住鋼平臺(tái)
4#、5#的定位筋均采用雙鴿尾定位筋,采用這種雙鴿尾定位筋能很好的解決定子機(jī)座在鐵芯膨脹時(shí)受力過(guò)大的問(wèn)題,因此在國(guó)內(nèi)不管是改造還是新機(jī)組安裝都以普遍采用[4]。定位筋安裝工作是決定整個(gè)定子鐵芯安裝成敗的最基礎(chǔ)工作,在安裝過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題以及解決的方法如下。
衡量定位筋本身質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)主要有:平面度和扭曲度(徑向平面度影響內(nèi)徑、周向直線度影響弦距、扭轉(zhuǎn)度影響切向扭斜度)。定位筋在安裝前應(yīng)校直。用不短于1.5 m的平尺檢查,定位筋在徑向和周向的直線度及扭轉(zhuǎn)度應(yīng)不大于0.1 mm[3]。
在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)廠家提供的定位筋進(jìn)行了檢測(cè),通過(guò)檢測(cè)的數(shù)據(jù)看符合標(biāo)準(zhǔn)的定位筋每臺(tái)機(jī)也就只有十幾根,其余的都有不同程度的超標(biāo)。由于工期限制,不可能等定位筋返廠處理后再進(jìn)行安裝以及現(xiàn)場(chǎng)不具備校直的條件,在實(shí)際安裝時(shí),采取了以下辦法:將合格的用于第一根基準(zhǔn)定位筋以及大等分筋得安裝,超差的用于其余定位筋,這主要是利用了定位筋滿(mǎn)焊后內(nèi)徑偏差控制在-0.40~+0.40 mm以及弦距偏差小于0.30 mm,向心小于0.05 mm這一標(biāo)準(zhǔn),畢竟只要滿(mǎn)焊后定位筋的內(nèi)徑、弦距、向心符合設(shè)計(jì)要求即可,在安裝過(guò)程中通過(guò)工裝工具的調(diào)整和改變焊接順序等措施將定位筋本身質(zhì)量的問(wèn)題帶來(lái)的影響降到最低,保證了滿(mǎn)焊后定位筋內(nèi)徑、弦距以及向心控制在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)溫度對(duì)定位筋安裝的影響
定位筋安裝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度的控制在標(biāo)準(zhǔn)中也有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。溫度的變化對(duì)定位筋安裝工作的影響,主要表現(xiàn)在:定位筋安裝過(guò)程中,基準(zhǔn)筋內(nèi)徑測(cè)量是用內(nèi)徑千分尺測(cè)量的絕對(duì)值,其余定位筋內(nèi)徑調(diào)整雖然采用中心柱,那也是依據(jù)在基準(zhǔn)筋上基準(zhǔn)點(diǎn)的內(nèi)徑測(cè)量值進(jìn)行調(diào)整的,對(duì)于基點(diǎn)內(nèi)徑測(cè)量我們使用的測(cè)量工具為6 m的內(nèi)徑千分尺,在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),測(cè)量工具受溫度影響一般為0.01 mm/℃,也就是溫度升高或降低1℃,測(cè)量工具的長(zhǎng)度變化大約為0.06 mm;溫度變化也能引起定子機(jī)座的膨脹或收縮從而間接影響定位筋內(nèi)徑。
綜合以上可以看出,如果現(xiàn)場(chǎng)溫度控制不好,極有可能使內(nèi)徑超標(biāo)。5#機(jī)改造時(shí)處于冬季,溫度影響不是很明顯,在4#機(jī)改造時(shí),由于處于夏季,一天內(nèi)的溫差比較大,溫度影響顯得特別明顯。除了天氣本身的變化外還有以下幾方面因素引起的:機(jī)組的開(kāi)、停機(jī);由于處于機(jī)組改造階段,各種設(shè)備進(jìn)、出廠,導(dǎo)致廠房大門(mén)頻繁開(kāi)、關(guān);墻壁上裝有玻璃,太陽(yáng)光的照射[5]。
3.2.2 溫度影響的解決
為了盡量降低溫度變化帶來(lái)的影響一般可采取如下措施:工作時(shí)間最好在安排在每天同一時(shí)段;在發(fā)電機(jī)機(jī)坑上搭設(shè)保溫棚,必要時(shí)可加裝空調(diào)[6]。由于工期的要求以及其它因素導(dǎo)致無(wú)法采取以上措施控制現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度,通過(guò)在實(shí)際工作中的摸索,找到了一種可有效減小溫度對(duì)安裝質(zhì)量影響的方法:就是將溫度對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響量考慮到調(diào)整值中去,這樣雖然不一定很準(zhǔn)確,但也是當(dāng)時(shí)的最佳辦法,從兩臺(tái)機(jī)定位筋滿(mǎn)焊完后驗(yàn)收的數(shù)據(jù)看效果還是不錯(cuò)的(數(shù)據(jù)見(jiàn)表2,為節(jié)省篇幅特抽取部分?jǐn)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)為4#機(jī)定位筋驗(yàn)收數(shù)據(jù))。具體辦法為:在現(xiàn)場(chǎng)掛上溫度計(jì),每隔1 h,觀察溫度的變化,當(dāng)溫度變化時(shí)超過(guò)1℃,及時(shí)校核基準(zhǔn)點(diǎn)的內(nèi)徑變化值,通過(guò)合理的取值將內(nèi)徑控制在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
表2 定位筋聯(lián)合驗(yàn)收數(shù)據(jù)
按照廠家提供的工藝,定位筋滿(mǎn)焊工作是在所有定位筋調(diào)整完畢并點(diǎn)焊檢查合格后進(jìn)行,考慮到工期較緊,經(jīng)廠家設(shè)計(jì)以及工藝人員同意,對(duì)安裝工藝略做修改,即:調(diào)整完一環(huán),就焊這一環(huán)徑向的第一遍,等所有環(huán)的徑向第一遍焊完后,再進(jìn)行徑向第二、三遍和周向兩遍的焊接。通過(guò)工藝的調(diào)整,5#機(jī)僅用18天完成了定位筋安裝工作(這還包括了定子機(jī)座環(huán)板修磨所用的時(shí)間),最后驗(yàn)收的數(shù)據(jù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)以要求。
定位筋安裝人員在調(diào)整時(shí),特別是對(duì)內(nèi)徑調(diào)整過(guò)程中要合理用力,正確的方法是:先將某一環(huán)處托塊上的千斤頂用手輕輕帶上,然后通過(guò)大C型夾將內(nèi)徑調(diào)整在規(guī)定的值內(nèi),再將千斤頂用扳手帶緊,如果不采用上述方法,雖然當(dāng)時(shí)內(nèi)徑可以調(diào)整合格(其實(shí)是一種假像),但當(dāng)松開(kāi)大C型夾后定位筋又會(huì)恢復(fù)至原來(lái)的狀態(tài),造成內(nèi)徑超標(biāo),畢竟最后的終檢是在所有工裝工具拆除掉后進(jìn)行的。
滿(mǎn)焊后,定位筋的內(nèi)徑在焊接應(yīng)力下將變大,一般在(0.10~0.20)mm 左右,所以在內(nèi)徑調(diào)整時(shí)應(yīng)提前將此變形量考慮到。
滿(mǎn)焊采用的為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊,雖然二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的焊接變形小[7],但焊接人員仍應(yīng)嚴(yán)格按照廠家提供的焊接工藝進(jìn)行,調(diào)整人員在每焊一遍后及時(shí)測(cè)量,根據(jù)測(cè)量的結(jié)果予以調(diào)整,必要時(shí)可以改變焊接的順序。
鐵芯的預(yù)壓以及最后的壓緊均采用液壓拉伸器,液壓拉伸器由手動(dòng)泵、拉伸器、軟管、快速接頭、壓力表組成,一臺(tái)手動(dòng)泵帶6個(gè)拉伸器,預(yù)緊壓力以及最后壓緊力應(yīng)達(dá)到額定壓力14 205 kg(約405 bar),為了保證鐵芯壓緊質(zhì)量,在壓緊時(shí),將12個(gè)拉伸器分為四組,每3個(gè)一組均勻分布在鐵芯圓周,各組互成90°,拉緊時(shí)采用多次逐漸增大壓緊力,即:第一遍為額定壓力的1/3,第二遍為額定壓力的2/3,最后一遍達(dá)到額定壓力。
對(duì)于定子鐵芯的疊裝高度的控制非常重要,一般情況下影響高度的因素主要有以下三種:一是定子沖片的厚度不均;二是定位筋弦距半徑超差,引起沖片上拱;三是壓緊工藝或壓緊力不均勻[8]。為了保證鐵芯最終壓緊后的尺寸符合設(shè)計(jì)要求,在疊片的過(guò)程中對(duì)每一小段高度,每一次壓緊大段的高度值都要進(jìn)行精確的測(cè)量、推算、糾偏,使分段高度和最終高度符合設(shè)計(jì)要求。
疊片高度的控制分為三個(gè)方面:軸向高度控制。測(cè)量每小段的高度值,用專(zhuān)用測(cè)量段長(zhǎng)的工具配合游標(biāo)卡尺測(cè)量檢查小段的高度是否符合允許誤差內(nèi),每疊一大段壓緊后產(chǎn)生的高度差。則在下一大段中進(jìn)行修正,把上大段的偏差均勻分布在下大段中的各小段中 (在這里主要是利用各小段的高度允許有一張沖片的厚度即0.05 mm的偏差這一特點(diǎn));鐵芯徑向高差控制。通過(guò)測(cè)量鐵芯內(nèi)外高度計(jì)算出鐵芯內(nèi)、外徑向高度差,得出鐵芯內(nèi)外補(bǔ)償片的添加高度;周向波浪度的控制。周向補(bǔ)償片可用基本片,每小段可加一層,補(bǔ)償片可以看成一層沖片,與上下片1/3搭接。
4.3.1 鐵芯產(chǎn)生徑向高差
4#機(jī)在第二大段鐵芯(高度約800 mm)預(yù)壓后,測(cè)量高度發(fā)現(xiàn)齒部較軛部平均高出2 mm左右,槽底與軛部高度基本相同,考慮到徑向高差不大(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是小于3 mm),因此沒(méi)有對(duì)鐵芯高度進(jìn)行調(diào)整,繼續(xù)疊片當(dāng)疊至1 300 mm壓緊后測(cè)量發(fā)現(xiàn),平均高差值已經(jīng)達(dá)3 mm,其中局部已經(jīng)達(dá)到5 mm,按此種情況下推算,如果繼續(xù)正常疊片后幾段將產(chǎn)生很大的徑向高度差,最終無(wú)法滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)。
4.3.2 分析原因
根據(jù)影響鐵芯產(chǎn)生徑向高差大的3個(gè)原因,由于定位筋弦距已半徑以及壓緊力檢查均無(wú)問(wèn)題,問(wèn)題可能出在沖片厚薄不均勻,因此在已疊好的鐵芯最上層沿圓周均勻抽取部分以及剩余的每箱沖片隨機(jī)抽取3張,用螺旋測(cè)微儀測(cè)量沖片厚度,發(fā)現(xiàn)齒部的厚度均較軛部和外圓厚,因此可以推斷出單張沖片厚度不均的現(xiàn)象是造成上述問(wèn)題的重要因素。
4.3.3 徑向補(bǔ)償
對(duì)后續(xù)鐵芯軛部端加入徑向補(bǔ)償片進(jìn)行高度補(bǔ)償,一般可以采用基本片或者采用絕緣片將齒部全部減去,采用基本片的優(yōu)點(diǎn)是:不會(huì)減少鐵芯的磁性質(zhì)量,缺點(diǎn)是剪去齒部后的部位有毛刺需處理并刷絕緣漆,如處理不好容易造成上、下兩層的沖片絕緣的破壞;而采用絕緣片的缺點(diǎn)是將減少鐵芯的磁性,但這可通過(guò)增加鐵芯高度來(lái)彌補(bǔ)[9],后經(jīng)商議采用加絕緣片的方法,一共增加了4層,從最后壓緊后測(cè)量的結(jié)果看,徑向高度差大大減少,最大的徑向高度差僅有2mm,定子鐵芯最終高度確定在1804mm左右。
根據(jù)以往定子疊片的經(jīng)驗(yàn),除了嚴(yán)格按照預(yù)緊工藝因素外,控制周向波浪度最有效的方法是把一箱內(nèi)的沖片沿定子圓周均勻擺放,盡量使一層沖片都取至同一箱。最先在葛洲壩3#機(jī)改造時(shí)做過(guò)嘗試,效果非常不錯(cuò),在4#機(jī)改造時(shí)也采用此方法,疊片時(shí)周向補(bǔ)償片添加最多的部位也只有3層,鐵芯的波浪度控制在(2~3.5)mm 內(nèi)(標(biāo)準(zhǔn)為 5 mm)。
定子鐵芯磁化試驗(yàn)是一種檢驗(yàn)定子鐵芯的安裝質(zhì)量行之有效的方法,另外,還能通過(guò)鐵芯磁化試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)和發(fā)熱使鐵芯下沉,達(dá)到僅由外加壓所不能達(dá)到的進(jìn)一步壓緊鐵芯的目地[10]。定子鐵芯磁化試驗(yàn)勵(lì)磁電源采用了800 V電壓等級(jí),勵(lì)磁電纜利用3根90 mm2截面積的高壓電纜,計(jì)算試驗(yàn)繞組12匝,勵(lì)磁電流400 A,試驗(yàn)時(shí)利用酒精溫度計(jì)、熱成像儀、紅外線測(cè)溫儀測(cè)量溫升。
試驗(yàn)中測(cè)得磁通密度0.91 T,鐵芯最大溫升為11℃,最大溫差 2℃,換算到1 T,鐵芯最大溫升為13.4℃,最大溫差2.4℃,單位鐵損1.32 W/kg,均符合1 T下單位鐵損不得超過(guò)1.365 W/kg;鐵芯最高溫升不得超過(guò)25℃;最大溫差不得超過(guò)15℃的要求。
丹江電廠4#、5#發(fā)電機(jī)定子鐵芯改造后質(zhì)量均滿(mǎn)足優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn);定位筋安裝過(guò)程中采用根據(jù)溫度變化及時(shí)校核基點(diǎn),從而將溫度對(duì)安裝工作的影響盡量減到最小以及改變定位筋裝焊工藝,是對(duì)傳統(tǒng)定位筋安裝工藝的改進(jìn)和提高;利用補(bǔ)償片調(diào)整鐵芯徑向高程差、周向波浪度的控制方法,對(duì)控制鐵芯的有效高度帶來(lái)了便利。根據(jù)4#、5#機(jī)改造經(jīng)驗(yàn),在控制好安裝工藝的前提下,許多問(wèn)題均是由于設(shè)備本身的質(zhì)量造成的,因此要做好改造所用設(shè)備的質(zhì)量控制,從源頭上把好質(zhì)量關(guān),包括定位筋的檢測(cè),以及疊片前沖片厚度的測(cè)量等,以便能及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理。
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