王 慷,劉功亮,羅 杰
(南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心,廣東 廣州 511400)
廣蓄A(yù)廠1號及3號機(jī)組自投入運(yùn)行至本輪大修時已經(jīng)分別運(yùn)行21年及22年,根據(jù)檢修規(guī)劃,在 2014年10月至2015年2月、2016年 9月至2017年1月間分別對1號機(jī)組及3號機(jī)組進(jìn)行了第二輪大修。此次大修過程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉軸頸存在偏磨及偏心,導(dǎo)葉端面及兩端圓面與上下抗磨板磨損導(dǎo)致導(dǎo)葉端面及兩端圓面損傷。大修過程中,決定對導(dǎo)葉軸頸進(jìn)行車圓,導(dǎo)葉端面補(bǔ)焊后車削。因此將補(bǔ)焊后導(dǎo)葉送至廣船大型機(jī)械設(shè)備有限公司進(jìn)行加工。導(dǎo)葉示意圖見圖1。
圖1 導(dǎo)葉示意圖
廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角范圍為0~26.6°,相應(yīng)開度范圍為0~268 mm,導(dǎo)葉的拆卸采用下拆方法,即拆除底環(huán)后,將導(dǎo)葉落至蝸殼層吊出。導(dǎo)葉上軸套及中軸套共用一個套筒,上軸套及中軸套分別在套筒兩端,下軸套有獨立的下套筒,軸套與套筒均采用過盈配合。主要尺寸和材料如表1:
表1 導(dǎo)葉及軸套主要尺寸
導(dǎo)葉加工前,對導(dǎo)葉整體情況進(jìn)行檢查,主要存在損傷有:①導(dǎo)葉軸頸偏磨;②導(dǎo)葉上下端面刮傷;③葉片兩端圓面刮傷。導(dǎo)葉在加工過程中,定導(dǎo)葉中心時發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉軸存在不同程度的扭曲偏折。
導(dǎo)葉軸頸偏磨的主要原因有兩點:①導(dǎo)葉上中下軸套不同心;②導(dǎo)葉啟閉時徑向水推力;③軸套脫層后單邊擠壓。
導(dǎo)葉三個軸套不同心時,導(dǎo)葉三個軸頸在圓周上間隙不均勻。當(dāng)上中下軸套中的兩個軸套的偏心量大于等于導(dǎo)葉與軸套間隙時,導(dǎo)葉軸處于憋勁狀態(tài),即導(dǎo)葉兩個軸頸上有一段分別貼緊兩個對應(yīng)軸套上的對應(yīng)位置(兩個貼緊位置法線角度在90°~180°之間)。導(dǎo)葉啟閉時,軸頸與軸套貼緊位置磨損加劇,而軸套磨損位置相反方向則無磨損,長期作用下導(dǎo)葉軸套及軸頸因磨損不均勻而出現(xiàn)偏磨。此外,導(dǎo)葉軸在長期受力作用下會以兩個軸套貼緊位置為支點出現(xiàn)導(dǎo)葉軸線扭曲偏折。
導(dǎo)葉在關(guān)閉狀態(tài)時葉片蝸殼測水壓為5.5 MPa左右,水輪機(jī)側(cè)水壓為0.7 MPa。導(dǎo)葉在水壓作用下向水輪機(jī)方向靠攏。導(dǎo)致軸頸貼緊軸套,且受到擠壓壓力,導(dǎo)葉啟閉時,貼緊位置出現(xiàn)磨損。
廣蓄A(yù)廠4臺機(jī)組使用TLMM及TXMM尼龍材料軸套,該軸套存在吸水膨脹且容易松散脫層的缺陷。軸套松散脫層后,脫出的尼龍材料與軸頸互相擠壓,導(dǎo)致啟閉時擠壓位置磨損。
導(dǎo)葉端面刮傷是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)常見的故障之一,導(dǎo)葉端面刮傷主要由端面夾渣及止推間隙過小導(dǎo)致。
廣蓄A(yù)廠水輪機(jī)導(dǎo)葉及抗磨板分別采用法國牌號 Z5CN1204(00Cr12Ni4)及 Z10C13(1 Cr13)馬氏體不銹鋼材料。馬氏體不銹鋼有高強(qiáng)度、高硬度、韌性強(qiáng)等特征,但耐腐蝕性較差。機(jī)組運(yùn)行時,導(dǎo)葉與抗磨板之間會有細(xì)小砂石夾雜,導(dǎo)葉啟閉時導(dǎo)葉及抗磨板端面會出現(xiàn)刮傷。由于不銹鋼材料韌性好的特征,刮出的不銹鋼材料不會折斷,在導(dǎo)葉不斷啟閉過程中,刮傷區(qū)域不斷擴(kuò)大。
機(jī)組運(yùn)行過程中導(dǎo)葉受到軸向水推力的作用,導(dǎo)葉有向上竄動的趨勢。止推環(huán)磨損后止推間隙大于上端面間隙時,導(dǎo)葉上端面與抗磨板貼緊導(dǎo)致刮傷。刮傷位置由于不銹鋼夾雜,將導(dǎo)葉向未刮傷端面擠壓,從而導(dǎo)致上下端面同時出現(xiàn)刮傷。
與軸頸偏磨同理,葉片在蝸殼側(cè)水壓力作用下擠向水輪機(jī)側(cè),葉片圓面與抗磨板導(dǎo)葉孔貼緊,導(dǎo)葉啟閉過程中導(dǎo)致刮傷。1號、3號機(jī)組大修中對40個導(dǎo)葉葉片圓面進(jìn)行檢查,都是靠近水輪機(jī)側(cè)圓面出現(xiàn)大面積刮傷。
導(dǎo)葉端面與葉片兩端圓面采用相同的焊接工藝,使用φ2.0 mm的ER410NiMo不銹鋼焊絲進(jìn)行氬弧焊。焊接前對磨損位置進(jìn)行打磨處理,將刮傷、氣蝕導(dǎo)致的損傷區(qū)域打磨掉露出母材。
焊接時使用對稱焊法避免局部溫度過高導(dǎo)致應(yīng)力集中及焊接變形。如圖2所示為導(dǎo)葉大頭端面焊接順序示意圖,焊接順序為1-2-3-4-5-6,按照此順序逐步向中間靠攏。焊接時使用測溫槍測量距離焊點30 mm處的溫度,當(dāng)母材溫度高于100℃時停止焊接,冷卻后方可繼續(xù)進(jìn)行。焊接方法及要求見表2。
表2 導(dǎo)葉焊接其他要求
第一層堆焊后,如果導(dǎo)葉高度及圓面直徑不能達(dá)到要求數(shù)據(jù),則在第一層堆焊層冷卻至常溫后再堆焊第二層,直至導(dǎo)葉端面及圓面有足夠加工余量。
導(dǎo)葉車削加工前定中心時,檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉軸存在不同程度的扭曲及偏折。導(dǎo)葉的扭曲及偏折分為兩段,上軸頸與中軸頸之間為第一段,中軸頸與下軸頸之間為第二段,20個導(dǎo)葉兩段的扭曲偏折方向均不相同,在360°圓周方向隨意分布。導(dǎo)葉扭曲偏折的原因與軸頸偏磨原因相同,在軸套不同心、水推力及軸套脫層擠壓的共同作用下,導(dǎo)葉依據(jù)受力情況的不同呈現(xiàn)不同方向不同程度的扭曲偏折。
由于導(dǎo)葉扭曲偏折,軸頸車削時需要重新定導(dǎo)葉中心,常用的定中心方法有一點對中和兩點對中兩種。一點對中以導(dǎo)葉上軸頸上方50 mm處未磨損點作為基準(zhǔn)點,調(diào)整卡盤使導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時該位置百分表讀數(shù)不變,即認(rèn)為導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)中心與導(dǎo)葉中心重合,以此中心對導(dǎo)葉其余位置進(jìn)行車削即可。
兩點對中相較一點對中要更加復(fù)雜,即采用上軸頸上方50 mm處和下軸頸下方未磨損位置兩點進(jìn)行對中。方法為調(diào)整卡盤及打磨尾座頂針支撐位置滿足上述兩點在導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時讀數(shù)均不變。以上述兩點的中心的連線作為導(dǎo)葉中心線及車床旋轉(zhuǎn)中心線。由于存在軸頸偏磨及偏折,上下兩點不能完全對中,可以采用打磨導(dǎo)葉尾座頂針孔進(jìn)行調(diào)整,要求上軸頸上方50 mm處和下軸頸下方未磨損位置旋轉(zhuǎn)時百分表讀數(shù)盡可能小,不超過0.05 mm。
一點對中與兩點對中相比,一點對中更加快捷方便,上軸頸的車削量可以控制到最小,但是中軸頸及下軸頸車削量較大,尤其是下軸頸存在較大的過車量;兩點對中調(diào)整起來更加困難,采用兩點對中上軸頸及下軸頸的車削量可以得到有效控制,下軸頸車削量較小,但由于不能完全對零,上軸頸車削量略大于一點對中;由于避免了導(dǎo)葉夾持傾斜,中軸頸的車削量略小于一點對中。
加工中,廣蓄1號機(jī)組導(dǎo)葉加工采用了一點對中,3號機(jī)組導(dǎo)葉加工采用兩點對中,兩臺機(jī)組導(dǎo)葉車削前對中數(shù)據(jù)及車削量數(shù)據(jù)見表3:? 由于車削前個別導(dǎo)葉存在嚴(yán)重偏磨及刮傷,不具有代表性,故剔除車削量差值0.15 mm以上的采樣點。結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析可以得出,1號機(jī)組及3號機(jī)組上軸頸車削量基本相同,1號機(jī)略小于3號機(jī);中軸頸車削量相同,綜合20個導(dǎo)葉分析后車削量均值相同;下軸頸車削量1號機(jī)組略小于3號機(jī),但由于檢修前3號機(jī)組測量下軸頸偏磨比1號機(jī)組嚴(yán)重,3號機(jī)下軸頸車削量相較1號機(jī)得到了更好的控制。
表3 1號機(jī)及3號機(jī)導(dǎo)葉軸頸車削量對比 單位:mm
軸頸車削時,由于軸頸在密封位置磨損量較大及個別位置偏磨嚴(yán)重,軸頸整個車圓時車削量超過或接近軸套加工裕量(軸套內(nèi)徑加工裕量0.50 mm),因此車削時在軸頸圓周方向超過2/3的位置車圓或者軸頸上存在寬度超過100 mm的完整圓面時,該軸頸加工合格。
導(dǎo)葉軸頸車削完成后進(jìn)行導(dǎo)葉端面補(bǔ)焊區(qū)域車削,車削時為了避免導(dǎo)葉葉片離心力引起的導(dǎo)葉變形,車床回轉(zhuǎn)速度控制在60 r/min以下,車削時從大頭外緣開始進(jìn)刀,逐步車削到葉片根部。為了保證補(bǔ)焊區(qū)域和未補(bǔ)焊區(qū)域平整度達(dá)到要求,車削時對整個面進(jìn)行車削,未補(bǔ)焊位置車削量控制在0.02 mm以內(nèi),避免車削過多導(dǎo)致導(dǎo)葉高度不足。
本文對廣蓄1號及3號機(jī)組導(dǎo)葉加工進(jìn)行了分析研究,依據(jù)馬氏體不銹鋼的特性,制定了導(dǎo)葉端面及圓面的焊接方法,同時加工發(fā)現(xiàn)并判斷出導(dǎo)葉軸頸的中心線呈折線狀且測量出導(dǎo)葉偏心量,確保了導(dǎo)葉加工精度,這一方法可推廣至其他同類型導(dǎo)葉和類似導(dǎo)葉乃至長軸型部(零)件軸線偏心的判斷及測量。同時,導(dǎo)葉軸頸車削的方法可對后續(xù)機(jī)組部件的加工有借鑒和指導(dǎo)意義。
[1]郭浩,王照娣.三峽機(jī)組活動導(dǎo)葉加工工藝研究[J].電站系統(tǒng)工程,2012,28(5):75-76.
[2]汪國正,吳鎮(zhèn).大型轉(zhuǎn)輪不銹鋼葉片焊接特點和焊接變形控制[J].焊接技術(shù),1997(2).
[3]王軒,白剛.錦屏一級水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整及影響因素分析[J].中國水能及電氣化,2015(12):37-41.