何少潤，陳泓宇

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640；清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站主機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝修改意見綜述

何少潤1，陳泓宇2

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司，廣東省廣州市 510640；清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

本文簡要介紹清遠(yuǎn)抽水蓄能電站建設(shè)過程中，業(yè)主方技術(shù)人員充分汲取多個抽水蓄能電站安裝調(diào)試的經(jīng)驗教訓(xùn)，從有利于運行、檢修的角度，有理有據(jù)地提出了對機(jī)組重要部件設(shè)計和制造工藝的建設(shè)性意見，并與制造廠家進(jìn)行了深層次的磋商、探討，而作為設(shè)計制作的東芝水電（杭州）有限公司均能予以高度重視，充分體現(xiàn)了與制造廠方密切合作、共同提高的態(tài)度。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站1、2、3號機(jī)組順利投入商業(yè)運行，機(jī)組各項性能性能指標(biāo)優(yōu)異，運行質(zhì)量達(dá)到了國內(nèi)外同類型機(jī)組的新高度。

頂蓋組合縫；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)輪；進(jìn)水閥樞軸；厚環(huán)板磁軛；磁極鐵芯

0 引言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡稱“清蓄”）裝機(jī)容量4×320MW，主機(jī)設(shè)備由東芝水電（杭州）有限公司（以下簡稱“東芝水電”）承制。自合同簽訂以來，通過歷次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會議和日常溝通交流，對主機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造相關(guān)環(huán)節(jié)提出了一系列修改意見，其中大部分東芝水電均予采納。

1 水泵水輪機(jī)部分

1.1 尾水肘管的設(shè)計與安裝

（1）尾水管支腿設(shè)置的修改。由于東芝水電采用橢圓形斷面尾水肘管，我們認(rèn)為原設(shè)計的支腿未與環(huán)節(jié)筋板設(shè)置、焊接為一體，會使得支腿處尾水管由于局部應(yīng)力集中可能產(chǎn)生撓曲變形，容易造成混凝土澆筑不密實而加大灌漿難度。經(jīng)過溝通和磋商，東芝水電全部進(jìn)行了設(shè)計修正。

（2）在以往多個電站施工中，均出現(xiàn)肘管工地組焊時由于管段接縫周長偏差采取對管口縱向開口的處理措施，既增大施工難度也增多“T形焊縫”的探傷工作量。根據(jù)惠州抽水蓄能電站4號機(jī)組東方電機(jī)廠的成功實踐，經(jīng)與東芝水電協(xié)商并取得共識，采取尾水肘管各管段在工廠車間預(yù)裝的工序。實踐證明，無論在施工工期還是施工質(zhì)量上均收益頗豐。

（3）無論是東芝水電工廠還是現(xiàn)場，尾水管焊接焊縫原設(shè)計都僅作MT、PT無損探傷，顯然是將尾水肘管的焊縫納入不屬于一、二類焊縫的其他焊縫（三類焊縫）。我們認(rèn)為：①水電站的尾水肘管、尾水鋼襯均須承受一定的水壓，尤其是抽水蓄能機(jī)組尾水壓力均較高，例如：惠州抽水蓄能電站尾水壓力達(dá)到90m H2O，相當(dāng)于常規(guī)機(jī)組的蝸殼壓力，理應(yīng)和引水鋼管一樣同屬于“壓力鋼管”范疇；②無論是《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》（SL 432—2008）還是ALSTOM《STANDARD 028—300》“焊縫分類和檢驗”的界定，抽水蓄能機(jī)組尾水肘管縱、橫（環(huán)）焊縫均屬于二類焊縫，須射線或超聲波抽驗（焊縫長度至少10%+節(jié)點），發(fā)現(xiàn)缺陷后自動提高檢驗百分比。

東芝水電對此高度重視，并對原設(shè)計圖紙的技術(shù)要求進(jìn)行了全面修正。

1.2 頂蓋組合縫緊固標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定及螺栓緊固工藝

1.2.1 頂蓋組合縫間隙標(biāo)準(zhǔn)界定

（1）清蓄頂蓋合縫面共有21顆把合螺栓（如圖1所示），1號機(jī)組頂蓋-Y側(cè)的1/4瓣+2/4瓣車間預(yù)裝時預(yù)緊力分別達(dá)到80%～100%（另有5顆為50%預(yù)緊力）。螺栓緊固后，分瓣法蘭的外周即偏離螺栓的位置存在間隙（參見圖1中陰影部分）。

圖1 頂蓋組合面結(jié)構(gòu)（單位：mm）Fig.1 Head cover joint flange construction

（2）為了驗證頂蓋組合縫的嚴(yán)密性，東芝水電進(jìn)行了模擬法蘭（參見圖2）緊固的驗證性專題試驗。試驗表明，螺栓緊固后螺栓周邊由于受到壓縮力的作用是貼合緊密的，而偏離螺栓位置的法蘭局部區(qū)域則會由于壓縮力的減小反而會朝著張開方向運動而產(chǎn)生間隙，當(dāng)預(yù)緊力加大后（增加螺栓的預(yù)緊伸長量）間隙也會隨之增大。

（3）試驗證實的貼合和張開的機(jī)理如圖3所示（σP為組合面壓縮應(yīng)力，Pio為座面的平均面壓，紅色箭頭表示法蘭張開方向的區(qū)域），螺栓把緊后2R～3R（R為螺栓孔半徑）范圍內(nèi)均屬于影響圓錐區(qū)域，應(yīng)是必須確認(rèn)無間隙的，而3R以外區(qū)域則會張開出現(xiàn)間隙。

（4）經(jīng)雙方確認(rèn)，頂蓋組合縫標(biāo)準(zhǔn)界定為：①組合縫間隙≤0.04～0.05mm即可認(rèn)為無間隙；②組合螺栓及銷釘周圍不得有間隙；③允許有局部間隙，但用0.10mm塞尺檢查，深度不應(yīng)超過組合面寬度的1/3，總長不應(yīng)超過周長的20%。并以此作為對GB/T 8564—2003中4.7的補充和完善，確定為清蓄機(jī)組的驗收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 模擬法蘭緊固后的間隙測量（單位：mm）Fig.2 The clearance measurement of the imitative flanges tightened

圖3 螺栓緊固機(jī)理Fig.3 The tightening mechanism of the bolt

1.2.2 分瓣頂蓋螺栓緊固工藝

清蓄電站水輪機(jī)頂蓋外徑達(dá)φ6550mm，分4瓣到貨在工地進(jìn)行組裝，每一合縫面分別采用7-M140×6mm和14-M95×4mm螺栓把合緊固（如圖1所示）。在頂蓋車間預(yù)裝時發(fā)現(xiàn)，東芝水電采取的是氧—乙炔火焰?zhèn)鹘y(tǒng)的直接加熱工藝。對此，我們針對頂蓋螺栓可能存在多次拆裝的特點，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，如《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》（DL 439—1991）［1］關(guān)于“嚴(yán)禁直接把火把插入孔內(nèi)靜止不動地加熱”以及“加熱時螺栓內(nèi)孔溫度不超過400℃”的規(guī)定，否決了氧—乙炔火焰直接加熱的施工工藝。東芝水電采納了我們的建議，改用螺栓電加熱棒工藝。

1.3 主軸密封自動監(jiān)測裝置

清蓄主軸密封塊磨損量測量裝置如圖4所示，即密封磨損量的測量須在機(jī)組停機(jī)或檢修時進(jìn)行，而在運行中缺乏密封塊實際磨損量的監(jiān)測。顯然，這是不利于無人值班、少人值守的機(jī)組運行的。

圖4 密封塊磨損量監(jiān)測裝置Fig.4 Seal abrasion quantity monitoring

對此，我們多次要求東芝水電采取相應(yīng)措施，使之具備能夠自動報警的功能，但東芝水電均以合同條款無明確要求和缺乏自動監(jiān)測業(yè)績?yōu)橛啥从璨杉{。據(jù)悉，諸如瀑布溝水電站（GE公司設(shè)計）等工程項目的徑向式密封［2］所采用的磨損量指示器裝置，就是可在機(jī)組運行中進(jìn)行機(jī)械、電氣雙項指標(biāo)檢測的成功方式（如圖5所示）。這也是我們在今后其他電站的設(shè)備招標(biāo)中應(yīng)予以關(guān)注的。

圖5 瀑布溝電站主軸密封檢測磨損裝置Fig.5 Pubugou station shaft seal wear detection device

1.4 機(jī)坑起吊設(shè)施

東芝水電原設(shè)計的環(huán)形軌道吊車系安裝在下機(jī)架的筋板上，其后根據(jù)我們的建議和推薦方案重新設(shè)計了井字型環(huán)狀雙吊車方案（如圖6所示）。

（1）下機(jī)坑里襯內(nèi)壁設(shè)置環(huán)形軌道。

（2）在水車室裝配可沿軌道運行的井字型雙吊車梁（2×5t手拉葫蘆）。

（3）在1500×2000mm的門洞內(nèi)安置便于安裝和檢修時運送小件部件的滑車梁。

（4）在下機(jī)架基礎(chǔ)部位鋪設(shè)剛性蓋板使水車室形成有防護(hù)的封閉施工場地。

這樣就可以充分利用機(jī)墩混凝土澆筑時段開展水車室的安裝調(diào)整工作，緩解了工期過于緊張的矛盾，同時也為日后的機(jī)組檢修工作創(chuàng)造施工條件。

1.5 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)車間預(yù)組裝工藝改進(jìn)

（1）東芝水電設(shè)計的車間預(yù)裝導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時檢測導(dǎo)葉軸套孔同軸度的方法是：①使用塞尺檢測各導(dǎo)葉兩側(cè)大小頭端面間隙的均衡度；②使用專用工具轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉均應(yīng)靈活無摩阻狀。

（2）我們根據(jù)導(dǎo)葉臂扭矩比即導(dǎo)葉軸頸支反力之比的原理，建議使用拉力計檢測（參見圖7）逐個導(dǎo)葉拉動時的啟動力，東芝水電采納并實施了我們的建議。

1.6 底環(huán)起吊設(shè)施的改進(jìn)

（1）東芝水電按原設(shè)計在已整體退火進(jìn)行了消應(yīng)處理和金加工后的1號機(jī)組底環(huán)泄流環(huán)面焊接吊耳，如圖8所示。由于焊接量較大，其所產(chǎn)生的焊接應(yīng)力、相應(yīng)變形都是不能忽視的問題。

（2）我們建議，2～4號機(jī)組的底環(huán)宜參考惠蓄電站底環(huán)的吊裝設(shè)計（參見圖9），東芝水電接受了建議并立即采取了設(shè)計修改措施。

（3）對于既成事實的1號機(jī)組，我們也要求根據(jù)GB 150—2011之“8.2.6.5 B、C、D、E類焊接接頭……，采用局部熱處理的規(guī)定并確保溫度梯度不致影響材料的組織和性能?！?/p>

1.7 提高轉(zhuǎn)輪靜平衡標(biāo)準(zhǔn)的實踐

我們針對抽水蓄能電站轉(zhuǎn)速高、水力特性（尤其是“S”特性）復(fù)雜的特點以及當(dāng)前水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡設(shè)備、試驗工藝長足進(jìn)步的實際狀況，要求適當(dāng)提高轉(zhuǎn)輪靜平衡的精度使其達(dá)到ISO 1940—1 G2.5標(biāo)準(zhǔn)。東芝水電在日本東芝京浜按照G2.5計算的轉(zhuǎn)輪許用殘余不平衡量0.885kg（即平衡半徑2.163m）進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪靜平衡。試驗成果表明，以ISO 1940—1 G2.5級作為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡的驗收標(biāo)準(zhǔn)是合理的，其在涵蓋靜平衡系統(tǒng)力矩誤差、泄水錐本體及焊接可能達(dá)到的不平衡量之后，還能具有一定的裕度。無疑，提高轉(zhuǎn)輪靜平衡驗收標(biāo)準(zhǔn)對蓄能機(jī)組的長期穩(wěn)定運行是甚為有利的，這也是一個能夠充分體現(xiàn)制造廠制作工藝平均先進(jìn)水平的表征。

圖6 機(jī)坑內(nèi)起吊裝置示意圖（單位：mm）Fig.6 Machine pit lifting device schematic

圖7 拉力計檢查導(dǎo)水葉轉(zhuǎn)動力矩Fig.7 Rotative moment measurement of guide vane using electronic hanging balance

圖8 底環(huán)吊耳焊接Fig.8 Lift lug welding of bottom ring

圖9 底環(huán)起吊設(shè)施Fig.9 Lifting facilities of bottom ring

1.8 轉(zhuǎn)輪葉片焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)

（1）在1號機(jī)組轉(zhuǎn)輪驗收時，發(fā)現(xiàn)東芝水電方面只對葉片與上冠、下環(huán)全焊透部分進(jìn)行了UT探傷（見圖10、圖11之*1各段），而圖中的*2各段均未全焊透部分均未進(jìn)行UT探傷（*1焊縫鈍邊均為2mm，*2焊縫鈍邊達(dá)20m）。

（2）由于我們不能接受東芝水電以“不完全焊透部位回聲大難以判斷缺陷”“轉(zhuǎn)輪葉片坡口形狀不影響焊接部位的強度”為由，對未全含透部位僅作MT、PT而不進(jìn)行UT的處理方式，強調(diào)了第二次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會根據(jù)《混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪組裝焊接工藝導(dǎo)則》（DL/T 5071—2012）所明確的“轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)焊縫進(jìn)行100%UT探傷”的規(guī)定。

圖10 葉片與上冠焊縫（單位：m）Fig.10 Welding seams between runner blade and crwn

圖11 葉片與下環(huán)焊縫（單位：m）Fig.11 Welding seams between runner blade and band

（3）東芝水電最終同意從2號機(jī)組轉(zhuǎn)輪開始對距離表面大約1/3厚（焊接金屬部位）的范圍內(nèi)進(jìn)行UT探傷檢查。

1.9 轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測試

（1）東芝水電在第二次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會上承諾：“通過熱處理最大殘余應(yīng)力將下降65%而不超過150MPa”，但其以“合同未提出具體要求”“轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)焊接量不大，其殘余應(yīng)力值是有限的”為由，不進(jìn)行任何有關(guān)轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力的測定。

（2）東芝水電由于毛坯件熱處理溫度的緣故，選用熱處理溫度為550±20℃，略低于DL/T 571—2012《混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪組裝焊接工藝導(dǎo)則》對熱處理程序所做的規(guī)定。我們根據(jù)“低于570℃進(jìn)行熱處理一般需要通過斷裂力學(xué)分析和適當(dāng)?shù)脑囼瀬碜C明”的規(guī)定，要求東芝水電至少必須對一臺機(jī)組的轉(zhuǎn)輪焊后熱處理前后分別進(jìn)行轉(zhuǎn)輪與上冠、下環(huán)焊縫的殘余應(yīng)力測定，以證實轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力小于150MPa。

（3）東芝水電委托浙江中能工程檢測有限公司采用X射線無損檢測技術(shù)對清蓄1號機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力測試，測點布置參見圖12。測得最大殘余應(yīng)力分別為84.5MPa和–68.6MPa，證實轉(zhuǎn)輪熱處理是卓有成效的。

1.10 導(dǎo)葉摩擦套始滑動力矩測定

（1）清蓄導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用剪斷銷、導(dǎo)葉摩擦裝置二者兼而有之的傳動系統(tǒng)，如圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測點布置Fig.12 Arrangement of measuring points for runner residual stress

圖13 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳動部件（單位：mm）Fig.13 Drive components of G.V.operating mechanism

（2）根據(jù)我們的要求，抱軸襯套方式的摩擦環(huán)在廠內(nèi)進(jìn)行了如圖14所示的摩擦試驗，共抽取3套導(dǎo)葉保護(hù)裝置，以導(dǎo)葉摩擦裝置設(shè)計的起始滑動力矩（導(dǎo)葉最大水力矩乘以一個安全系數(shù)）來確定摩擦臂組合螺母的擰緊力矩，并按此擰緊力矩進(jìn)行導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的預(yù)裝和安裝。這樣，在導(dǎo)葉出現(xiàn)異常情況剪斷銷剪斷時，摩擦裝置仍可以克服導(dǎo)葉所受力矩，防止導(dǎo)葉產(chǎn)生擺動和不穩(wěn)定運動碰撞相鄰導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪行，從而避免相鄰導(dǎo)葉或其傳動機(jī)構(gòu)零件的連鎖破壞等異常情況的發(fā)生。

圖14 試驗裝置Fig.14 Test equipment

（3）試驗檢測，當(dāng)摩擦臂緊固螺栓扭矩達(dá)到設(shè)計值3200Nm時，導(dǎo)葉軸頸與摩擦臂發(fā)生滑動的扭矩均大于設(shè)計值38400Nm，證實了清蓄導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用剪斷銷、導(dǎo)葉摩擦裝置二者兼而有之的傳動系統(tǒng)是安全可靠的。

1.11 頂蓋頂起檢修專用工具

由于東芝水電未能按照合同要求在底環(huán)下部設(shè)置導(dǎo)葉軸承環(huán)形檢修通道，設(shè)計聯(lián)絡(luò)會期間經(jīng)雙方充分協(xié)商，東芝水電同意參考業(yè)主提出的作業(yè)方案，設(shè)計制造了一套用于檢修抗磨板和導(dǎo)葉軸套的頂起頂蓋專用工具。其工作原理是在吊起頂蓋準(zhǔn)備工作完成后，按照以下步驟進(jìn)行（參見圖15）。

（1）在對稱4只導(dǎo)葉頂部裝配4×10-M36螺桿（長）、千斤頂?shù)鬃⑸舷聣|塊和100t液壓千斤頂系統(tǒng)。

（2）啟動油泵頂升頂蓋，頂起一個工作行程后，在頂蓋上對稱擰進(jìn)8個M100支撐螺桿使頂蓋支撐在座環(huán)上。

（3）墊入調(diào)整墊塊，開始下一個工作行程。

（4）當(dāng)頂蓋頂起約1200mm時，可以吊起導(dǎo)葉進(jìn)行底環(huán)抗磨板、下軸套檢修。

（5）當(dāng)頂蓋頂起約1600mm時，安裝主支撐套管，更換M36千斤頂螺桿（短）。

圖15 頂蓋頂起檢修作業(yè)示意圖（單位：mm）Fig.15 Maintenance operation diagrammatic drawing of head cover lifting

（6）當(dāng)頂蓋頂起約2250mm時，可進(jìn)行頂蓋抗磨板、中軸套檢修。

（7）當(dāng)頂蓋頂起約2600mm時，焊接支架并加固頂蓋支撐，拆除液壓千斤頂，可以吊出導(dǎo)葉進(jìn)行更換或檢修。

在整個頂起過程中，均須調(diào)整導(dǎo)葉傾斜度、導(dǎo)葉軸線與頂蓋中心線平行度和頂蓋水平度等工作要素。

與頂蓋頂起專用工具配套的底環(huán)軸套拆卸專用工具也由東芝水電設(shè)計經(jīng)業(yè)主審核采納，參見圖16。

圖16 底環(huán)軸套拆卸專用工具Fig.16 Remove special tool of bottom ring bush

2 進(jìn)水閥部分

2.1 上游湊合節(jié)安裝程序的確定

（1）一聯(lián)會前，我們曾建議采用惠州抽水蓄能電站的斜法蘭安裝方式。一聯(lián)會上，東芝水電針對我們的提議作了解釋，由于其球閥檢修密封的鎖定裝置及位置量測裝置的結(jié)構(gòu)不適合加裝斜法蘭，堅持采用東芝水電傳統(tǒng)的三段湊合節(jié)方式。

（2）在二聯(lián)會上，東芝水電采納了我方提出的使用2個1500mm湊合節(jié)連接壓力鋼管與上游延伸管的方案（參見圖17）。

圖17 2段湊合節(jié)施工方案Fig.17 The 2 section expansion joint construction scheme

2.2 樞軸軸套結(jié)構(gòu)更改

東芝水電原設(shè)計的球閥接力器端樞軸軸套結(jié)構(gòu)如圖18所示（上部），其軸套凸臺在閥體內(nèi)側(cè)用銷釘螺栓固定，這就意味著必須大解體球閥才能更換軸套，這將對檢修造成的難度是難以被接受的。經(jīng)磋商，東芝水電同意修改為如圖18所示的下部結(jié)構(gòu)。

圖18 軸套結(jié)構(gòu)新舊方案比較（單位：mm）Fig.18 Shaft sleeve structure scheme comparison between the old and the new

2.3 球閥樞軸軸套材質(zhì)的選用

（1）東芝水電原設(shè)計球閥樞軸軸套采用大連三環(huán)生產(chǎn)的FZB053自潤滑銅套，由于大連三環(huán)制造的FZB053型導(dǎo)葉軸套在GZ-Ⅱ電廠使用效果不佳，對此我們提出了質(zhì)疑。

（2）我們認(rèn)為，GZ-Ⅱ美國VOITH設(shè)計的球閥耳軸軸套則系采用“OILES 500SPSL-4”（即為日本OILES公司的500號強力黃銅基固體潤滑劑鑲嵌軸承），使用十多年來運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)異常，可以證明日本OILES公司的銅基鑲嵌自潤滑產(chǎn)品是值得信賴的。且東芝水電在西龍池球閥用的就是日本OILES公司的產(chǎn)品。

（3）經(jīng)磋商，并根據(jù)東芝水電對大連三環(huán)相應(yīng)于日本OILES#500SP1-SL401的產(chǎn)品與日本OILES的#500SP1-SL401進(jìn)行的鑒定性比較（參見表1），雙方達(dá)成一致，決定改用上海OILES公司的產(chǎn)品。

表1 試驗對比表Tab.1 The lab test contrast Table of DALIAN SANHUAN and OILES

2.4 鋼管排水管道的敷設(shè)設(shè)計

清蓄原設(shè)計中，鋼管排水管自針閥排至尾水肘管的管道共計7個90°彎頭、2個135°彎頭（如圖19所示）。我們認(rèn)為，90°彎頭所造成水流在拐彎處產(chǎn)生水流沖擊、氣蝕和渦流，不可避免地導(dǎo)致不規(guī)則的管內(nèi)水力脈動。由于水為不可壓縮液體，故各種局部渦流引起的壓力脈動均通過管內(nèi)水體以壓力波的形式傳播到整條鋼管的內(nèi)壁，引起鋼管產(chǎn)生水力振動，特別是外置管道將產(chǎn)生強烈振動和噪聲。

東芝水電認(rèn)真修改了原設(shè)計（如圖20所示），90°彎頭減少了3個，使流道情況得以改善。

圖19 清蓄鋼管排水原設(shè)計Fig.19 Drainage design of steel pipe

圖20 東芝水電的設(shè)計修改Fig.20 Design change of DZ

2.5 上游檢修密封機(jī)械鎖定密封試驗的探討

（1）球閥驗交時，東芝水電以“避免在鎖定投入時，由于上庫水位下降較多而使閥芯位置因水壓降低而向上游移動壓緊鎖定螺栓造成螺牙擠壓變形損壞的嚴(yán)重事故”“各鎖定螺栓受力不均衡時，可能導(dǎo)致其中的一部分螺栓出現(xiàn)螺牙咬合損傷”為由拒絕進(jìn)行上游檢修密封機(jī)械鎖定密封試驗。

（2）我們重申了檢修密封鎖定裝置的功能應(yīng)為：①當(dāng)活動密封環(huán)投入腔壓力突然消失的情況下能鎖定密封環(huán)在全關(guān)位置，并確保檢修密封漏水量不會危及其下游檢修工作的安全進(jìn)行；②在上、下庫水位變化范圍內(nèi)，能夠確保鎖定密封環(huán)在全關(guān)位置，提高下游檢修、維護(hù)的安全水平；③在引水系統(tǒng)、壓力鋼管排水放空期間（非下游檢修工況），則應(yīng)采取相應(yīng)措施既要保證鎖定密封環(huán)處于關(guān)閉位置，又要考慮鎖定螺栓的投退安全性?？傊?，球閥上游檢修密封機(jī)械鎖定的功能是應(yīng)予切實保障和體現(xiàn)的。

（3）根據(jù)我們的經(jīng)驗，諸如廣蓄一期、廣蓄二期、惠蓄等同類型電站都進(jìn)行了上游密封機(jī)械鎖定操作及密封試驗，借以檢查機(jī)械鎖定性能及密封投入腔無壓條件下上游密封的封水功能，以期全面體現(xiàn)機(jī)械鎖定的功能。

（4）同時，也引證東芝水電在清蓄項目投標(biāo)書的《006-TQS09060052 進(jìn)水閥設(shè)計說明書》之“5.3檢修密封鎖錠裝置”中所明確的：“上游檢修密封應(yīng)設(shè)有一個機(jī)械鎖錠裝配。該裝置應(yīng)能在密封關(guān)側(cè)水壓為零和在密封開側(cè)有最大水頭水壓作用時都能保持檢修密封的關(guān)閉。該鎖定裝置是東芝水電的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，以類似機(jī)組奧清津第二電站為首，大多數(shù)水泵水輪機(jī)的球形閥都在應(yīng)用此結(jié)構(gòu)。”

（5）經(jīng)磋商，東芝水電同意進(jìn)行機(jī)械鎖定的密封試驗，并編制了具體程序在4號機(jī)組球閥出廠驗收時進(jìn)行了該項試驗。最終試驗的結(jié)果是：①上游側(cè)保壓5min期間，實測漏水量為0.13L/min，低于0.21L/min；②機(jī)械鎖定螺栓裝置自身無滲漏；③試驗結(jié)束后，機(jī)械鎖定螺栓投退自如。

實踐證明，只要設(shè)計合理、程序正確、措施得當(dāng)，密封試驗的順利進(jìn)行、成功圓滿地獲得理想效果是毋庸置疑的。

2.6 球閥密封環(huán)硬度辨析

（1）清蓄電站的設(shè)備合同中明確規(guī)定了“固定密封環(huán)的硬度高于活動密封環(huán)”的條款。

（2）東芝水電設(shè)計制造的材質(zhì)為ZG10Cr13的固定密封環(huán)實測硬度為186HB，材質(zhì)為ZG20Cr13的移動密封環(huán)實測硬度為227～232HB，兩者的硬度差約45HB。并解釋說：①由于活動密封環(huán)與鋁青銅堆焊后加工的閥體密封環(huán)里襯是一對滑動密封副，為防止咬合要求能適當(dāng)增大活動密封環(huán)與鋁青銅之間的硬度差，希望多提高一點活動密封環(huán)硬度；② 由于固定密封環(huán)更便于拆卸、維修的緣故，設(shè)計上就擬定了移動密封環(huán)硬度高于固定密封環(huán)的基調(diào)。

（3）盡管東芝水電也承認(rèn)：當(dāng)活動密封環(huán)為硬度≥HB300的圓錐形不銹鋼鑄鋼件，而固定密封環(huán)為硬度≤HB200的球形馬氏體不銹鋼鍛鋼件時，曾有過固定密封環(huán)的密封面出現(xiàn)壓痕、泄漏量增加的事例，但東芝水電制作的球閥全部采用固定密封環(huán)硬度低于活動密封環(huán)的設(shè)計（如西龍池抽水蓄能電站），這業(yè)已成為東芝水電的設(shè)計理念。因此，東芝水電認(rèn)為清蓄硬度差的用法雖然有悖于合同有關(guān)條款，在致歉的同時仍申請同意采用既成事實的方案。

（4）我們除了重申合同條款的嚴(yán)肅性，強調(diào)了以下幾點：

1）ALSTOM設(shè)計制造的球閥如惠州抽水蓄能電站，明確要求固定密封環(huán)的硬度比移動密封環(huán)高35HB，多年以來運行一直都很正常；而GZ-Ⅰ電站球閥上下游密封副又幾乎沒有硬度差，也能長期穩(wěn)定運行；這都是固定密封環(huán)硬度不宜低于移動密封環(huán)或者說兩者硬度差不宜設(shè)置過大的見證。

2）GZ-Ⅱ球閥檢修的經(jīng)驗是：當(dāng)固定密封環(huán)硬度低于移動密封環(huán)的硬度且差值較大時，其密封面損傷的程度相對要大很多；而固定密封環(huán)和移動密封環(huán)硬度相近的密封面損傷程度則很小甚至基本無損傷。

3）球閥上下游密封這樣的靜密封副與摩擦副或動密封副顯然是有區(qū)別的，因此相關(guān)摩擦副或動密封副的規(guī)定套用于球閥上下游密封這樣的靜密封副也是不盡合適的。

綜上所述，我們認(rèn)為適當(dāng)控制兩者硬度差的幅值是完全必要的，并提出控制兩者硬度差≤±（20～35）HB的建議供各大設(shè)計制造廠商參考。

3 電動發(fā)動機(jī)部分

3.1 電動發(fā)電機(jī)磁軛厚環(huán)板下料平整度

（1）清蓄電動發(fā)電機(jī)磁軛采用50mm和75mm兩種規(guī)格Q690D/WDER650高強度環(huán)形厚鋼板疊裝組成九段，每段磁軛高度300mm（或350mm)，分別用42根M48拉緊螺桿（每極3根）緊固成一體。東芝水電原設(shè)計要求環(huán)板母材的不平度≤3mm，每段環(huán)板把合拉緊螺栓后環(huán)板之間的間隙≤2mm，但由于多方面原因（導(dǎo)磁塊焊接以及通風(fēng)葉片焊接變形等）環(huán)板把合拉緊螺栓后層間仍普遍存在最大甚至達(dá)到3.5mm的間隙（參見圖21）。由于上部磁軛重量的均壓作用使得環(huán)板非加工接觸凈面積產(chǎn)生實質(zhì)性變化（增大）時，環(huán)板層間的壓應(yīng)力P=Fδ/Aδ（式中：Fδ為內(nèi)壓力；Aδ為磁軛環(huán)形板受壓時接觸的凈面積）也就會減小，僅有0.17～0.22mm的壓緊螺桿拉伸量會變小甚至消失，乃至各段磁軛環(huán)板的整體性大大削弱。

圖21 磁軛層間間隙Fig.21 Gap between rim layer

（2）為此，我們一再提醒東芝水電高度重視各段（尤其是第一段，參見圖22）磁軛環(huán)板的剛度，以免在掛裝磁極重量作用下使得單層環(huán)板產(chǎn)生撓度（如1號機(jī)組磁極掛裝后第一、二段間導(dǎo)磁塊周圈出現(xiàn)0.4～0.85mm間隙）、無規(guī)則的環(huán)板間隙造成了止落塊高度尺寸波浪狀、幾無規(guī)律的沉降等。

圖22 第一段磁軛裝配Fig.22 Assemly of the lowest rim block

（3）東芝水電也采取了相應(yīng)措施進(jìn)一步強化分段磁軛環(huán)板的剛度（參見圖22），并修正裝配工藝程序來消除非加工面原始不平度造成止落塊頂面與該段環(huán)板上下加工面的不平行誤差，從而減小了止落塊高程偏差。

3.2 磁極鐵芯疊壓工藝的改進(jìn)

（1）1號機(jī)組磁極鐵芯車間疊壓裝配過程中出現(xiàn)施加1680～1790Nm設(shè)計扭緊力矩時6根螺桿互相牽制的異常，雖經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整，其伸長量仍不能控制在設(shè)計伸長量（1.756～1.872mm）范圍以內(nèi)。我們根據(jù)實地探勘，對東芝水電的設(shè)計工藝提出了質(zhì)疑。

（2）由于東芝水電的工藝與常規(guī)不同，其磁極鐵芯片間壓應(yīng)力不取決于液壓機(jī)給定的預(yù)壓緊力，而是取決于拉緊螺桿施加扭矩的最終伸長值。我們認(rèn)為，由于摩擦副以及磁極沖片疊壓卡阻力等多方面因素的影響，施加扭矩時螺桿因局部拉伸而導(dǎo)致拉伸值會偏離正常值，使得扭緊力矩與其伸長值兩者相互之間失去了應(yīng)有的對應(yīng)平衡關(guān)系。

（3）我們建議改進(jìn)工藝，使用目前國內(nèi)外工廠裝配磁極鐵芯常規(guī)使用的雙油缸臥式同步壓緊裝置，其主要優(yōu)點是：①經(jīng)過精心設(shè)計和調(diào)整，可以使磁極鐵芯的重心和液壓拉伸器的壓緊力的中心相重合，壓緊裝置施加到磁極鐵芯的壓力均勻，確保磁極鐵芯疊裝后的形體尺寸達(dá)到質(zhì)量精度；②由于兩個拉伸油缸油路并聯(lián)，同時供油，兩個主拉伸螺桿的拉緊力相等，磁極沖片得到均勻壓緊、變形小，最終預(yù)壓緊力能夠保證鐵芯沖片之間達(dá)到了理論上所需的單位壓力；③用該壓緊裝置壓緊磁極鐵芯，便于加墊片、調(diào)整尺寸和形狀。

（4）東芝水電經(jīng)慎重考慮，革新運用了更為先進(jìn)、可靠、穩(wěn)妥的施工工藝。當(dāng)卸掉壓縮鐵芯預(yù)緊力（約280t）時，鐵芯內(nèi)部殘余壓力使得相應(yīng)的磁極鐵芯的彈性回彈量和螺桿的彈性伸長量都達(dá)到0.18cm左右，取得較好的預(yù)期效果。同時，也避免了1號機(jī)組裝配時所出現(xiàn)的拉緊螺桿伸長值失控、拉緊螺栓壓力不均從而影響磁極幾何形狀和整體尺寸的弊端。

3.3 定子疊片制作工藝的完善

（1）東芝水電前期外委制作的定子疊片存在“表面劃痕”、少量1mm左右的“裸露亮點”以及漆膜厚度不勻等明顯瑕疵。

（2）我們認(rèn)為，定子疊片目前存在問題不能完全滿足DL/T 5420—2009《水輪發(fā)電機(jī)定子現(xiàn)場裝配工藝》相關(guān)條款的要求，并經(jīng)現(xiàn)場探勘，認(rèn)定漆膜表面存在“點狀裸露點”等問題應(yīng)是熱鏈與冷鏈上沖片支撐存在的凸起高點或毛刺點引起的。一般，采取刷制兩遍漆的工藝方法，便可以使其改善。之所以遲遲未能改善，顯然與設(shè)備本身的配置質(zhì)量攸息相關(guān)。而劃痕則是點接觸傳輸刺網(wǎng)運行不穩(wěn)或速度不勻且與涂漆輥不同步時發(fā)生的劃傷現(xiàn)象。因此，有必要從更新設(shè)備入手以求徹底改觀。

（3）東芝水電陸續(xù)對涂漆設(shè)備有針對性地進(jìn)行了完善改造，如在原涂漆輥前端增設(shè)軟質(zhì)橡膠涂漆輥、增置0.01Hz變頻器控制驅(qū)動馬達(dá)調(diào)整輸送鏈網(wǎng)匹配性以及改造原沖片輸送帶支點并適當(dāng)調(diào)整了輸送裝置平穩(wěn)性等，改造后沖片周邊沖剪斷面已能完全覆蓋漆膜、背面劃痕及裸露點都有較大改善，漆膜厚度（單面）達(dá)到5～7μm，同時進(jìn)行了沖片漆膜附著力、疊壓系數(shù)、絕緣電阻、漆膜總厚度等性能試驗均滿足合同要求。

3.4 定子線棒制作工藝及質(zhì)量控制

（1）由東芝水電承制的清蓄2號機(jī)組定子線棒（VPR）出廠驗收時，出現(xiàn)部分線棒介損超出合同允許的性能保證值或接近合同規(guī)定的臨界值、高阻大外R和線棒小R段表面絕緣褶皺等外觀質(zhì)量和電氣性能問題，現(xiàn)場交流耐壓試驗也出現(xiàn)部分線棒爬電放電和發(fā)光現(xiàn)象。

（2）東芝水電認(rèn)為，由于定子線圈端部呈三維曲線形狀，包繞液壓固化后難以避免的會出現(xiàn)褶皺，但還是能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)和合同要求的。

（3）我們認(rèn)為，高阻帶搭接邊緣的褶皺處，局部電阻偏高，是造成發(fā)光的主要原因。目前，采用薄鐵皮沿彎線棒曲部位定型以及防暈層的包扎工藝還是必須改進(jìn)的，如不進(jìn)行更換可能在日后運行中影響線棒壽命，嚴(yán)重的可能造成線棒和定子燒毀。

（4）東芝水電根據(jù)我們的建議和要求，采用與1號機(jī)組進(jìn)口線棒相同的高、低阻帶材料重新包絕緣并嚴(yán)格控制工藝：①對端部鐵板進(jìn)行兩段方式包扎，增加VPR過程中鐵夾板與線棒端部壓緊的適形性及高阻部位壓力的均勻性；②線棒高阻外層增加熱收縮帶的包扎，增加高阻部位壓力的同時均勻高阻的壓力，減少高阻部位表面的橫向褶皺，均勻電場分布；③線棒高阻外包一層無堿玻璃絲帶，改善線棒VPR固化過程中高阻成分局部流動的不均勻，使線棒端部高阻成分的覆蓋盡量均一，以減小線棒耐壓發(fā)光的可能；④高阻外加包玻璃絲帶后能改善高阻帶疊包處的微褶皺。

3.5 推力頭與鏡板分體結(jié)構(gòu)的判定

（1）東芝水電在設(shè)計聯(lián)絡(luò)會提出下端軸、推力頭與鏡板同體鍛造加工的設(shè)計理念。

（2）我們認(rèn)為，清蓄下端軸采用20SiMn合金結(jié)構(gòu)鋼，其鋼錠的鑄造缺陷一般比碳素結(jié)構(gòu)鋼嚴(yán)重，需要較大的鍛造比（一般要求＞4）。而東芝水電委托上海重型機(jī)器廠鍛造的下端軸鍛壓比僅為2.0～2.5，可能達(dá)不到《水輪發(fā)電機(jī)鏡板鍛件技術(shù)條件》（JB/T 7023—2002）關(guān)于“鍛造時應(yīng)保證足夠的鍛比，使整個截面得到充分的鍛造?！钡囊?。同時，若按JB/T 7023—2002和GB/T 8564—2003所要求的“參照GB/T 231用手錘式硬度計或其他硬度計檢查硬度。當(dāng)直徑大于1500mm時，在兩個平面距外圓圓周100mm和內(nèi)外圓平均半徑處，每隔90°測一處硬度?！薄扮R板表面任何兩點硬度差不大于30HB”來驗收，估計也有一定難度。

（3）為了調(diào)整下機(jī)架、推力軸承滑動面水平和機(jī)組檢修創(chuàng)造更方便的條件，我們僅同意下端軸與推力頭同體鍛造、加工，而鏡板仍采用碳素結(jié)構(gòu)鋼單獨加工制造。

3.6 軸系加工的處理和工藝改進(jìn)

（1）根據(jù)規(guī)范和合同的規(guī)定，我們要求至關(guān)重要的控制性工序是：水機(jī)軸與發(fā)電機(jī)下端軸聯(lián)軸同床車鉸各檔相關(guān)尺寸、轉(zhuǎn)子支架（含上導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子）與下端軸聯(lián)軸車鉸各檔相關(guān)尺寸，并進(jìn)行檢查、見證同心跳動值后下機(jī)床解體。

（2）1號機(jī)組轉(zhuǎn)子支架與下端軸在臥車聯(lián)軸過程中內(nèi)、外止口整圈多處咬傷（最長一處長度為130mm、深度1mm)；2號轉(zhuǎn)子支架和下端軸聯(lián)軸同車分解后其內(nèi)外止口發(fā)現(xiàn)多處不同程度咬傷（最大損傷處長約200mm，深度約0.3mm）；3號轉(zhuǎn)子支架和下端軸聯(lián)軸同車分解后其內(nèi)、外止口發(fā)現(xiàn)十幾處不同程度咬傷（最大損傷處長約300mm，深度約1.2mm）。

（3）為了確保軸系的加工過程與加工精度受控，下端軸與轉(zhuǎn)子支架采用的是一卡三托聯(lián)軸同車，在兩軸重量大、止口過盈配合的情況下，其水平組裝、分解的難度確實是很大的。東芝水電在共同編制損傷部位處理方案的同時，著手從組裝工藝進(jìn)行改善，由其設(shè)計部門結(jié)合FEM解析的基礎(chǔ)上增設(shè)導(dǎo)向銷改在地坑內(nèi)完成直立預(yù)裝，并重新設(shè)定螺栓扭矩進(jìn)行聯(lián)軸、分解。

最終，東芝水電付諸實施并取得成功，機(jī)組軸線調(diào)整（盤車）的實際效果驗證了機(jī)組軸系加工達(dá)到并超過了當(dāng)前國內(nèi)外平均先進(jìn)水平。

4 結(jié)束語

由于業(yè)主方技術(shù)人員充分汲取多個抽水蓄能電站安裝調(diào)試的經(jīng)驗教訓(xùn)，從有利于運行、檢修的角度，有理有據(jù)地提出了對機(jī)組重要部件設(shè)計和制造工藝的建設(shè)性意見，并與制造廠家進(jìn)行了深層次的磋商、探討。而作為設(shè)計制作的東芝水電均能予以高度重視，相應(yīng)采取專項試驗進(jìn)行驗證，并據(jù)此主持、制訂修正方案、革新運用先進(jìn)工藝，進(jìn)一步展現(xiàn)和推動了制造廠設(shè)計、制造和工藝的先進(jìn)水平。綜述所及的各項設(shè)計修改和技術(shù)改造，有的已得到實際調(diào)試和運行的考驗是成功的，有的還有待進(jìn)一步考核、驗證。同時，也正是由于用戶與制造廠方的密切合作、共同提高，清蓄電站1、2、3號機(jī)組順利投入商業(yè)運行，機(jī)組各項性能性能指標(biāo)優(yōu)異、運行質(zhì)量達(dá)到了國內(nèi)外同類型機(jī)組的新高度。

［1］白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.BAI Yannian.Design and calculation of generator［M］.Beijing:China Machine Press,1982.

［2］李華，項西旺.抽水蓄能轉(zhuǎn)輪組裝焊接技術(shù)［C］.中國電機(jī)工程學(xué)會水電設(shè)備專委會，全國水利水電機(jī)電技術(shù)信息網(wǎng)，2014水電站機(jī)電技術(shù)學(xué)術(shù)討論會，2014.10.LI Hua,XIANG Xiwang.Technique for Pump turbine Runner Assembly Welding［C］.Committee on Professional hydro power equipment CSEE,Academic Discussion on Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station 2014,2014.10.

何少潤（1946—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：水電站機(jī)電設(shè)備管理及安裝調(diào)試。E-mail:248370406@qq.com

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術(shù)管理工作。E-mail:542120791@qq.com

Review on Amendments of the Main Equipment Structure Design and Manufacturing Process of Qingyuan Pumped Storage Power Station

HE Shaorun,CHEN Hongyu
（CSG Power Generation Company，Guangzhou，510640，China；Qingyuan Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Qingyuan 511853）

In the process of Qingyuan pumped storage power station construction,this paper briefly introduces user’s proposed amendments of the main equipment design manufacture process,and the concrete implementation,with manufacturer sitfully embodies the style of the close cooperation and common improvement.The unit 1,2&3 of QPSPS have put into commercial operation,the unit performance index is excellent and the operation quality reaches a highly new level among the same type units at home and aboard.

head cover combined seam; water guide mechanism;turbine; inlet valve pivot; thick annular plate magnetic yoke; thick annular plate magnetic yoke; pole core

TV734.2

A 學(xué)科代碼：570.352

10.3969/j.issn.2096-093X.2016.05.002