張東勝,張華清
(1.三峽機(jī)電工程技術(shù)有限公司,四川成都610041;2.長江三峽技術(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限公司,四川成都610041)
白鶴灘水電站位于金沙江下游,是金沙江下游4個(gè)梯級電站中的第二級。白鶴灘水電站左右岸地下廠房各裝機(jī)8臺水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)容量1 000 MW,單機(jī)容量在世界已建和在建機(jī)組中最大;總裝機(jī)16 000 MW,總裝機(jī)在世界已建和在建機(jī)組中僅次于三峽水電站。
白鶴灘水電站左右岸水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備分別由東方電機(jī)廠和哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)制造。
2018年10月,白鶴灘右岸首臺導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在哈電順利通過業(yè)主方驗(yàn)收,標(biāo)志著世界首臺百萬千瓦水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的成功制造,也標(biāo)志著中國向世界水電無人區(qū)邁出了堅(jiān)定的一步。
導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備中水輪機(jī)部分的關(guān)鍵部套,其制造質(zhì)量對機(jī)組后續(xù)是否能安全穩(wěn)定高效的運(yùn)行十分關(guān)鍵。本文下面將對白鶴灘百萬水電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的制造質(zhì)量控制進(jìn)行介紹。
白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋、控制環(huán)、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)等組成,圖1為預(yù)裝完成的的白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)整體形象。
圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝整體形象
頂蓋最大外徑11.97 m,高2.72 m,整體質(zhì)量約為380 t。頂蓋為鋼板焊接結(jié)構(gòu),主要由下環(huán)板、外法蘭、上環(huán)板、中間筋板和合縫面板等裝焊而成。為便于運(yùn)輸,頂蓋廠內(nèi)分為4瓣制造。頂蓋上環(huán)板布置有導(dǎo)葉上套筒、導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)、控制環(huán)和水導(dǎo)軸承等,下環(huán)板布置有導(dǎo)葉中套筒、測壓孔、補(bǔ)氣孔、主軸密封等。頂蓋下環(huán)板為過流面,在活動導(dǎo)葉對應(yīng)位置裝焊一層不銹鋼抗磨板,在與轉(zhuǎn)輪上冠對應(yīng)位置裝焊有不銹鋼固定止漏環(huán)和階梯止漏環(huán)。圖2為兩瓣頂蓋倒放準(zhǔn)備把和。
圖2 兩瓣頂蓋倒放準(zhǔn)備把和
底環(huán)最大外徑11.35 m,高0.63 m,整體重約96 t。頂蓋為鋼板、鑄件裝焊結(jié)構(gòu),主要由上下環(huán)板、導(dǎo)葉下套筒鑄件、錐形環(huán)板等裝焊而成。為便于運(yùn)輸,底環(huán)廠內(nèi)分4瓣制造。底環(huán)上環(huán)板為過流面,裝焊一層不銹鋼鋼板,底環(huán)布置有補(bǔ)氣孔,底環(huán)導(dǎo)葉下套筒內(nèi)裝壓有自潤滑軸瓦。圖3為正在進(jìn)行機(jī)加工的底環(huán)。
圖3 底環(huán)進(jìn)行機(jī)加工
圖4 控制環(huán)機(jī)加工(倒放)
控制環(huán)最大外徑約9.5 m,高1.82 m,整體重約55.6 t。控制環(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu),主要由上、中、下環(huán)板和圍板等焊接而成。為便于運(yùn)輸,控制環(huán)廠內(nèi)分2瓣制造。控制環(huán)上環(huán)板布置兩個(gè)大耳孔與接力器相連,下環(huán)板布置有24個(gè)小耳孔與導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)相連。小耳孔裝壓有自潤滑軸瓦。為防止控制環(huán)動作時(shí)上臺,控制環(huán)與頂蓋之間設(shè)有壓板。圖4為正在進(jìn)行機(jī)加工的控制環(huán)。
導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)主要包括導(dǎo)葉臂、連接板、剪斷銷、上下連扳、導(dǎo)葉上中套筒等。其中導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉上中套筒為鑄件,連接板、連扳為鋼板。導(dǎo)葉上中套筒裝壓有自潤滑軸瓦。
白鶴灘機(jī)組活動導(dǎo)葉有24件,單件導(dǎo)葉長5.07 m,導(dǎo)葉瓣體寬約1.4 m,單件重約8 t,導(dǎo)葉上、中、下軸頸直徑分別為0.46、0.48、0.48 m。導(dǎo)葉為整鑄不銹鋼結(jié)構(gòu),材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo。與活動導(dǎo)葉配合的導(dǎo)葉上中軸套和底環(huán)上的導(dǎo)葉下軸套分別裝壓有自潤滑軸瓦。圖5為加工完成的活動導(dǎo)葉。
圖5 加工完成的活動導(dǎo)葉
原材料的質(zhì)量控制是保證白鶴灘導(dǎo)水機(jī)構(gòu)制造質(zhì)量的基礎(chǔ)。白鶴灘導(dǎo)水機(jī)構(gòu)累計(jì)設(shè)計(jì)幾千個(gè)部件,原材料有鋼板、鑄件。白鶴灘導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要原材料使用情況見表1。
表1 白鶴灘導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要原材料使用明細(xì)
3.1.1原材料供應(yīng)廠家的優(yōu)選
白鶴灘水電站機(jī)組單機(jī)容量1 000 MW,因此其對原材料的質(zhì)量要求較高。為保證原材料質(zhì)量,業(yè)主在簽訂機(jī)組合同時(shí),根據(jù)以往機(jī)組供貨經(jīng)驗(yàn),擇優(yōu)選取材料牌號和供貨廠家,要求主機(jī)制造廠在采購原材料時(shí)必須在規(guī)定的范圍內(nèi)選取,以此來從源頭控制原材料質(zhì)量。白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)業(yè)主方明確規(guī)定的原材料包括:頂蓋外法蘭、固定止漏環(huán)、活動導(dǎo)葉、厚度170 mm及以上的鋼板等。
3.1.2重要原材料的復(fù)檢
對于白鶴灘電站設(shè)備一般的原材料,只需通過審核原材料廠家的自檢材質(zhì)證明文件即可。對于重要的原材料,需要主機(jī)廠進(jìn)行復(fù)檢。白鶴灘電站為了進(jìn)一步保證原材料質(zhì)量,創(chuàng)新的對重要原材料提出了業(yè)主方檢測:對重要的原材料,在原材料廠家、主機(jī)廠分別檢測合格的基礎(chǔ)上,委托監(jiān)造方通過第三方測試機(jī)構(gòu)再次對材料進(jìn)行檢測,三方都檢測合格后才能用于白鶴灘電站設(shè)備。原材料廠家、主機(jī)廠、監(jiān)造方三家都需要對白鶴灘機(jī)組重要原材料進(jìn)行了檢測,這更一步的保證了原材料的質(zhì)量。白鶴灘電站機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行業(yè)主方檢測的部件主要有頂蓋外法蘭、活動導(dǎo)葉。
3.1.3鑄件質(zhì)量的控制
白鶴灘電站機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的鑄件主要包括活動導(dǎo)葉,導(dǎo)葉上、中、下套筒,導(dǎo)葉臂等。鑄件一般容易產(chǎn)生鑄造缺陷。上述鑄件通過在粗加工后進(jìn)行UT(超聲波)探傷消除內(nèi)部缺陷,精加工后進(jìn)行PT(滲透)和MT(磁粉)消除表面缺陷,保證了鑄件的質(zhì)量。
白鶴灘電站機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)件主要包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)。其中以頂蓋、底環(huán)焊接難度較大。頂蓋的焊接難點(diǎn)在于鋼板厚、焊縫多、焊量大;底環(huán)的焊接難度在于徑向尺寸大、高度方向尺寸小,焊后易產(chǎn)生變形??刂骗h(huán)結(jié)構(gòu)、焊量適中,較頂蓋、底環(huán)焊接難度小。白鶴灘電站機(jī)組頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)通過在焊前、焊中、焊后進(jìn)行合理控制,最終質(zhì)量滿足了設(shè)計(jì)要求。
白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接的大致工藝流程為:下料、成型→分部件拼焊→整體裝配→焊接→焊后熱處理前探傷、尺寸檢查→熱處理→熱處理后探傷、尺寸檢查→噴砂、涂底漆→轉(zhuǎn)加工序粗車→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→清理、轉(zhuǎn)加工序。根據(jù)其工藝特點(diǎn),可以把頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接的質(zhì)量控制分為焊前、焊中和焊后。
3.2.1焊前
焊前主要是工藝準(zhǔn)備和結(jié)構(gòu)件裝配工作。
工藝準(zhǔn)備主要是指頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的圖紙、焊接工藝卡、人員等的準(zhǔn)備。圖紙、焊接工藝卡是焊接的指導(dǎo)性文件,首先在其編制后,需要交設(shè)計(jì)、工藝、監(jiān)造人員進(jìn)行審查;在頂蓋圖紙審查時(shí),由監(jiān)造人員發(fā)現(xiàn)頂蓋1處筋板漏開坡口,后續(xù)及時(shí)對圖紙進(jìn)行了更改;其次,要向相關(guān)裝配、焊接、探傷、檢查人員對圖紙、焊接工藝卡進(jìn)行交底,使其掌握制造過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。為了保證機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的焊接件質(zhì)量,主機(jī)制造廠優(yōu)選有經(jīng)驗(yàn)的裝配、焊接人員對頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)進(jìn)行裝配、焊接,并優(yōu)選有經(jīng)驗(yàn)的探傷、檢查人員對焊接結(jié)構(gòu)件進(jìn)行檢查。
結(jié)構(gòu)件裝配工作主要是指將頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)等的分裝配部件裝配成整體,再由焊接人員進(jìn)行焊接。結(jié)構(gòu)部件裝配應(yīng)嚴(yán)格按圖紙要求進(jìn)行,裝配后應(yīng)檢查各部分尺寸,基準(zhǔn)線及相對位置是否正確,是否留有焊接收縮余量、機(jī)械加工余量等;檢查焊接接頭的坡口型式及尺寸是否正確;檢查定位焊的焊縫布置是否恰當(dāng),能否起到固定作用,是否會給焊后帶來過大的內(nèi)應(yīng)力;檢查焊接處是否清潔,有無缺陷(如裂縫、凹陷、夾層等)。
3.2.2焊中
白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊縫焊接均采用熔化極氣體保護(hù)焊,焊材為焊絲。焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝卡規(guī)定的焊接工藝規(guī)范進(jìn)行焊接。檢查人員、監(jiān)造人員通過現(xiàn)場巡檢,對焊接規(guī)范執(zhí)行情況進(jìn)行檢查,檢查的內(nèi)容主要由焊縫是否按要求預(yù)熱,焊接電壓、電流、速度等是否符合規(guī)范要求。在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接過程中,監(jiān)造人員多次發(fā)現(xiàn)未按規(guī)范要求進(jìn)行預(yù)熱情況,均及時(shí)進(jìn)行了糾正,最終保證了頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的焊接質(zhì)量。
3.2.3焊后
焊后的主要工作是檢查,分為熱處理前和熱處理后。熱處理前的檢查工作包括焊縫探傷和焊接尺寸。熱處理后的檢查工作包括焊縫探傷、焊接尺寸、噴砂后焊縫外觀、頂蓋減壓管路耐壓試驗(yàn)等。檢查應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙、焊接工藝卡要求執(zhí)行。監(jiān)造在進(jìn)行頂蓋焊后檢查時(shí),發(fā)現(xiàn)帶油箱的1瓣頂蓋郵箱法蘭焊后變形,可能會造成油箱在機(jī)組運(yùn)行時(shí)密封不好;監(jiān)造方及時(shí)指出,主機(jī)廠更換了厚的法蘭重新焊接,結(jié)果合格,保證了頂蓋的質(zhì)量。
導(dǎo)水機(jī)構(gòu)需要重點(diǎn)關(guān)注的加工部件包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)和活動導(dǎo)葉,其中尤以頂蓋、底環(huán)加工尺寸多,加工難度大。加工尺寸的質(zhì)量控制要重點(diǎn)關(guān)注尺寸精度要求高的尺寸和與其他部件有配合需求的尺寸。根據(jù)部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),下面分別對頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉的加工質(zhì)量控制進(jìn)行介紹。
3.3.1頂蓋加工質(zhì)量控制
頂蓋的加工工藝流程主要為:加工1/4瓣合縫面→兩個(gè)1/4瓣組圓加工1/2圓合縫面→4瓣組圓后粗車(期間加工抗磨板、止漏環(huán)等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關(guān)孔。根據(jù)頂蓋結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn),對其加工質(zhì)量控制要關(guān)注以下3點(diǎn)。
(1)頂蓋合縫面間隙。頂蓋合縫面間隙設(shè)計(jì)要求0.05 mm塞尺塞不進(jìn),局部間隙要求不超過0.10 mm。由于機(jī)床精度較差、頂蓋整體高度偏大和結(jié)構(gòu)剛度好,合縫面間隙控制難度大。為保證合縫面間隙,主要采取兩點(diǎn)措施:①對外法蘭合縫面外圓一定距離留出空刀,這一是降低了頂蓋間隙控制的整體難度,且這一段空刀利于其余部位的間隙控制;②精加工合縫面時(shí),用激光跟蹤儀來補(bǔ)償加工機(jī)床的精度,保證合縫面平面度。通過上述措施,最總合縫面間隙符合設(shè)計(jì)要求。
(2)頂蓋抗磨板、止漏環(huán)、導(dǎo)葉軸孔加工。頂蓋抗磨板與活動導(dǎo)葉瓣體端面配合,其平面度直接影響機(jī)組運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉的端面密封性;頂蓋止漏環(huán)包括固定止漏環(huán)和階梯止漏環(huán),止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪配合,間隙較小,其加工圓度、公差直接影響機(jī)組安裝時(shí)與轉(zhuǎn)輪的配合;頂蓋導(dǎo)葉中軸孔與導(dǎo)葉中軸配合,共24個(gè)孔,加工的位置度、直徑公差將影響導(dǎo)葉的裝配和動作靈活度,中軸孔的位置度還影響與底環(huán)的導(dǎo)葉下軸孔的同心度。因此,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這幾處尺寸的加工檢查。
(3)頂蓋相關(guān)孔。頂蓋上布置有測壓孔、補(bǔ)氣孔、排水孔等各種孔,孔的數(shù)量多,分布位置廣,應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行加工,防止錯(cuò)加工、漏加工。
3.3.2底環(huán)加工質(zhì)量控制
底環(huán)的加工工藝流程主要為:加工1/4瓣合縫面→兩個(gè)1/4瓣組圓加工1/2圓合縫面→4瓣組圓后粗車(期間加工抗磨板、止漏環(huán)等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關(guān)孔。
底環(huán)的加工流程與頂蓋類似,由于底環(huán)高度小,合縫面間隙較頂蓋容易控制;底環(huán)的抗磨板、止漏環(huán)、導(dǎo)葉軸孔加工和各種孔的加工質(zhì)量控制同頂蓋,這里不再贅述。底環(huán)由于徑向尺寸大、高度偏小,焊后已產(chǎn)生變形,且由于應(yīng)力作用,底環(huán)可能發(fā)生變形的時(shí)間很長。為控制這一點(diǎn),在底環(huán)粗加工后,對其進(jìn)行一定時(shí)間的時(shí)效、來充分釋放其應(yīng)力,然后再進(jìn)行精加工,保證了底環(huán)的質(zhì)量。
3.3.3控制環(huán)加工質(zhì)量控制
控制環(huán)的加工工藝流程主要為:加工1/2瓣合縫面→組圓粗車(期間加工抗磨板配合面)→裝配、焊接抗磨板→再次組圓精車、精鏜。
控制環(huán)的加工較頂蓋、底環(huán)簡單,需要重點(diǎn)關(guān)注的是控制環(huán)24個(gè)小耳孔和2個(gè)大耳孔的加工質(zhì)量:小耳孔與連板銷配合,大耳孔與接力器連接板銷配合。
3.3.4活動導(dǎo)葉加工質(zhì)量控制
活動導(dǎo)葉的加工工藝流程主要為:活動導(dǎo)葉車序加工導(dǎo)葉上中下軸頸→活動導(dǎo)葉銑序加工導(dǎo)葉瓣體→活動導(dǎo)葉單件加工完成,與導(dǎo)葉臂等裝配后加工分瓣鍵。
活動導(dǎo)葉的加工精度高,應(yīng)重點(diǎn)控制兩點(diǎn):
(1)活動導(dǎo)葉上中下軸頸分別與上套筒、中套筒和底環(huán)上的下套筒配合,軸頸的直徑公差小,且3個(gè)軸頸的同軸度要求高,檢查活動導(dǎo)葉尺寸時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
(2)活動導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂間有3個(gè)分瓣銷孔,銷孔與分瓣銷的配合尺寸要求高,因此分瓣銷孔的加工要求高,檢查時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。
白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件眾多,為保證各部件之間的配合質(zhì)量,首臺導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在主機(jī)制造廠內(nèi)進(jìn)行了預(yù)裝。白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)參與預(yù)裝的部件有底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋、活動導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)(包括導(dǎo)葉臂、連接板、上下連扳等)、控制環(huán)等。
白鶴灘機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝后,需要檢查的項(xiàng)目有:①頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的合縫面間隙,要求間隙0.05 mm塞尺塞不進(jìn),局部間隙不超過0.10 mm;②頂蓋抗磨板面水平,水平度要求不超過0.050 mm;③頂蓋、底環(huán)固定止漏環(huán)同心度,要求不超過0.20 mm;④頂蓋、底環(huán)間抗磨板相對高度;⑤活動導(dǎo)葉端面、立面間隙;⑥活動導(dǎo)葉動作試驗(yàn),要求動作靈活,無卡阻;⑦活動導(dǎo)葉在10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、105%等11個(gè)開度下的開口大小,其中考核100%開口時(shí)24個(gè)導(dǎo)葉開口大小與其平均值偏差不超過±2%。
白鶴灘水電站水電機(jī)組設(shè)備是世界首臺百萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備,其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)作為關(guān)進(jìn)部套,制造難度非常大。通過對原材料、焊接、加工、預(yù)裝等四方面的質(zhì)量控制,最終使世界首臺百萬千瓦水電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)順利通過了業(yè)主驗(yàn)收。