工地制造轉(zhuǎn)輪主要工藝技術(shù)方案的綜述

王 國 海

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

前言

轉(zhuǎn)輪是混流式水輪機(jī)的重要部件，它的生產(chǎn)制造也是水輪機(jī)生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常情況下，大型混流式轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)制造都在生產(chǎn)制造廠內(nèi)完成。因此，無論是焊接還是機(jī)加工，從第一道加工工序開始到所有工序結(jié)束，使用的都是專用的制造設(shè)備，這樣轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量可以得到很好的保證。但隨著運(yùn)輸問題的出現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪需要在電站工地現(xiàn)場制造，所使用的都是一些非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，甚至是簡易的制造裝備，因此如何保證轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量，是一個(gè)必須充分考慮的問題。哈電公司為了適應(yīng)生產(chǎn)制造發(fā)展的需要，近年來集中在國內(nèi)景洪、構(gòu)皮灘、龍頭石三個(gè)電站同時(shí)開展了該方面的研究。通過對(duì)三個(gè)電站工地生產(chǎn)制造轉(zhuǎn)輪過程的跟蹤，總結(jié)出了一套工地制造整體轉(zhuǎn)輪的方法。一個(gè)轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)制造從焊接開始、到機(jī)加工、到最后合格產(chǎn)出要經(jīng)過多道工序。這些需要做大量的工作，其中包括相關(guān)部件、相關(guān)設(shè)備的準(zhǔn)備、相關(guān)工藝流程的制定。一切妥當(dāng)后，開始實(shí)施、檢驗(yàn)、完善。由于轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都直接影響著轉(zhuǎn)輪制造的內(nèi)在質(zhì)量，因此技術(shù)人員必須充分考慮各種因素，針對(duì)不同的環(huán)境，采用不同的方法以更好地適應(yīng)工地制造轉(zhuǎn)輪的需要。

1 主要制造工藝技術(shù)及方案選擇

由于工地制造轉(zhuǎn)輪的特殊性和局限性，因此選擇什么樣的工藝方式去實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪制造過程中的技術(shù)要求，就顯得尤為重要。

1.1 轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)形式

通常轉(zhuǎn)輪主要由三大部件構(gòu)成：上冠、下環(huán)和葉片。采用焊接的方式把三者結(jié)合為一體形成一個(gè)完整的轉(zhuǎn)輪。

1.1.1 整體制造，分瓣運(yùn)輸

為解決整體轉(zhuǎn)輪運(yùn)輸?shù)膯栴}，早期曾采用在工廠內(nèi)制造出整體的轉(zhuǎn)輪，然后通過不同形式的分割，使轉(zhuǎn)輪變成可以運(yùn)輸?shù)膬砂辏\(yùn)到工地后，再重新把合和焊接，還原成完整的轉(zhuǎn)輪（如圖1所示）。這種分瓣式制造轉(zhuǎn)輪的方式，解決了工地不需要進(jìn)行機(jī)械加工的問題但也帶來了新的問題：工地焊接所產(chǎn)生的局部變形會(huì)影響轉(zhuǎn)輪的制造精度，最終影響其水力性能；同時(shí)，局部焊接的應(yīng)力也可能會(huì)在長期運(yùn)行中產(chǎn)生一些意想不到的問題。盡管在工地焊接后，加工的轉(zhuǎn)輪也采取了相應(yīng)的局部退火處理，但不銹鋼轉(zhuǎn)輪的退火處理是比較復(fù)雜的一個(gè)變化過程。所以，這種分瓣式現(xiàn)場制造轉(zhuǎn)輪的方案實(shí)際應(yīng)用得很少，也沒有被廣泛采用。

1.1.2 單件運(yùn)輸，工地組焊

單件運(yùn)輸，工地組焊，這是目前比較常用的一種現(xiàn)場制造轉(zhuǎn)輪的方案。

圖1 巖灘轉(zhuǎn)輪分瓣示意圖

（1）轉(zhuǎn)輪的三大部件運(yùn)到工地后，在工地裝焊。利用工地的條件，按照轉(zhuǎn)輪在工廠內(nèi)制造的工序進(jìn)行裝焊。一種組裝方式是上冠倒置，把葉片按照分布線，均勻分布，量好開口以及進(jìn)出水邊的位置，再扣上下環(huán)；另一種方式是把上冠倒置后，再把下環(huán)也擺放在空間相應(yīng)的位置，再往里插葉片。組裝尺寸檢查合格后開始施焊完成整體轉(zhuǎn)輪的焊接。

（2）既使是采用單件運(yùn)輸，部件也有超限的情況。在這種情況下，就會(huì)把超限部件分成兩部分，一般常見于下環(huán)部件，通常會(huì)把下環(huán)分成幾半運(yùn)到工地，然后再組焊成整圓后加工，但這會(huì)增加工地制造難度和延長制造工期。個(gè)別情況下，上冠也可能會(huì)分成兩瓣運(yùn)輸，再到工地組焊成整體。下環(huán)或上冠組焊加工后，再與葉片組焊成整體轉(zhuǎn)輪。

1.2 起重方式的選擇

工地制造轉(zhuǎn)輪，一個(gè)比較突出的問題就是如此重的部件，如何在制做的過程中完成一些運(yùn)輸、翻轉(zhuǎn)和吊運(yùn)的工序。

（1）通常在工廠內(nèi)，轉(zhuǎn)輪制造利用的是軌道式重型吊車，其起吊的噸位可從幾十噸至上百噸，完全滿足各種轉(zhuǎn)輪的加工需要。在工地也可以采用這種重型吊車，但需要有與之相配套的重型廠房，這樣造價(jià)會(huì)很高，除非利用已有能夠承重的廠房，一般情況下，較少采用這種起吊方式。

（2）在轉(zhuǎn)輪制造廠房內(nèi)安裝地面軌道式吊車（如圖2所示）。這種吊車的特點(diǎn)是：吊車行進(jìn)的軌道安裝在地面上，起吊噸位較大，搬遷容易，可重復(fù)使用且使用起來比較方便。軌道式吊車需要的廠房要有一定的高度，能夠保證起吊轉(zhuǎn)輪進(jìn)行各種操作有足夠的空間。這種起吊方式，近似于工廠內(nèi)的起吊，它可以對(duì)整體轉(zhuǎn)輪進(jìn)行吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)，工作效率高。

圖2 景洪工地吊車

（3）第三種方式就是按葉片的噸位考慮起吊能力，采用局部的起吊設(shè)備。一般加工好的單個(gè)葉片重量在10～15t左右，因此根據(jù)單個(gè)葉片的重量，選擇起重設(shè)備。這樣解決了組焊過程中擺放單個(gè)葉片的起吊問題。但組焊后的整體轉(zhuǎn)輪，就只能采用相應(yīng)的輔助手段來進(jìn)行翻轉(zhuǎn)和運(yùn)輸。通常的作法是采用翻轉(zhuǎn)工具和軌道平車，再借用50t以上的液壓千斤頂來完成這些工作。這種起吊方式，所用的設(shè)備簡單，但效率比較低，對(duì)制造的工期會(huì)有一定的影響。

1.3 退火方式選擇

轉(zhuǎn)輪制造過程中，一個(gè)很重要的工序是退火工序。目前絕大部分的轉(zhuǎn)輪都采用不銹鋼材料，既使為了節(jié)省成本，葉片選用的也是不銹鋼材料。無論是全不銹鋼材料焊接，還是異種鋼焊接，焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力都很大，而且不銹鋼材料的焊接應(yīng)力在退火過程中，如果溫度和時(shí)間掌控得不好，退火的效果就會(huì)不理想。

1.3.1 退火設(shè)施選擇

工地退火與工廠內(nèi)退火執(zhí)行的退火工藝是相同的，不同的是在工廠內(nèi)使用的是專門退火爐，而在工地只能使用簡易的退火設(shè)施。

（1）整體退火設(shè)施（如圖 3所示）。在工地可以按退火部件的需要，用耐火磚等材料搭建與部件大小相匹配的臨時(shí)退火設(shè)施，這樣的退火裝置退火效果比較好，但成本會(huì)高一些。

圖3 地上式整體退火爐

（2）分拆式退火設(shè)施（如圖 4所示）。把退火設(shè)施做成幾部分，可以在任意位置裝配進(jìn)行退火。這種分塊式的退火設(shè)施采用的是石棉類的隔熱材料，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格也便宜，但退火的效率不如整體式退火裝置高。

圖4 可拆式退火爐

（3）地下式整體退火設(shè)施（如圖 5所示）。在地下采用挖炕的方式，按部件大小尺寸，挖出坑，在坑壁砌一層耐火磚即可，這樣既節(jié)約了費(fèi)用，還可以達(dá)到整體退火裝置的效果。

整體式退火設(shè)施適用于有起重設(shè)備的場合，而分拆式設(shè)施既可用于大型起重設(shè)備的場合，也可以用于沒有大型起重設(shè)備的場合。

1.3.2 退火采用的加熱方式選擇

退火采用的加熱方式共有三種：一是采用電加熱，需要一套完整的加熱、布線及配電設(shè)備等，施工難度相對(duì)復(fù)雜，加熱升溫的速度也較慢，但可控性好，溫度均勻；二是采用煤氣加熱，在有氣源的情況下，比較簡潔。這種方式初始加熱時(shí)，不十分穩(wěn)定，溫度均勻性差，但后期會(huì)逐漸變好；三是采用燃油加熱，這種方式安全性略差，初始加熱時(shí)，易產(chǎn)生油煙，對(duì)環(huán)境污染較大，退火初期溫度均勻性差，不容易控制，但隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 地下式退火爐

1.4 機(jī)加工設(shè)備選擇

轉(zhuǎn)輪工地制造的另一個(gè)重要的工藝環(huán)節(jié)是如何完成機(jī)加工工序。轉(zhuǎn)輪焊接過程是保證轉(zhuǎn)輪內(nèi)在質(zhì)量的過程，轉(zhuǎn)輪加工則是解決轉(zhuǎn)輪外在質(zhì)量的過程，機(jī)加工的精度直接關(guān)系到轉(zhuǎn)輪的性能好壞。好的性能取決于機(jī)加工設(shè)備的優(yōu)劣。工地加工不可能像工廠制造轉(zhuǎn)輪那樣有多種設(shè)備和多種加工方式進(jìn)行選擇。轉(zhuǎn)輪加工主要有兩大工序：一是車削，二是鏜銑。

1.4.1 車削設(shè)備，工廠內(nèi)主要是旋轉(zhuǎn)立車

像直徑在5m以上的轉(zhuǎn)輪，車削要用6.3m以上的重型立車。而在工地加工，很難安裝這樣的重型立車，個(gè)別電站也確實(shí)安裝這樣的立車，來完成轉(zhuǎn)輪的車削工序。如上海伏依特承制的小灣電站水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪直徑為6.7m，重量約為152t，為了滿足車削工序的需要，在齊齊哈爾采購了一臺(tái)8m重型立車。但這種方式應(yīng)用于工地制造，其成本比較高，靈活性也差。相比較而言，采用簡易的切削設(shè)備，更適合于工地加工。

（1）絞盤式加工裝置（如圖 6所示）。這種車削加工形式，有些像我們通常熟悉的轉(zhuǎn)磨。在中間有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，軸上安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件并在轉(zhuǎn)動(dòng)部件的端部設(shè)置加工的刀具，利用轉(zhuǎn)動(dòng)部件的旋轉(zhuǎn)，來完成切削工作。

（2）簡易立車（如圖 7所示）。這種設(shè)備具有一般立車的基本功能，但其不需要特殊的制作基礎(chǔ)，安裝相對(duì)簡單，拆卸方便。采用簡易立車要根據(jù)轉(zhuǎn)輪的尺寸和重量來確定，重量在150t左右，直徑在6m左右，比較適合采用。加工時(shí)，轉(zhuǎn)輪放在旋轉(zhuǎn)卡盤上帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，利用中心刀架和外部刀架上的刀具來完成切削加工。

圖6 加工示意圖

圖7 簡易立車加工示意圖

1.4.2 鏜銑設(shè)備

轉(zhuǎn)輪的把合孔需要鏜銑。工廠內(nèi)制造時(shí)，把合孔主要是利用鏜床來完成，特別是近年來采用數(shù)控設(shè)備加工，更加方便和快捷。工地加工轉(zhuǎn)輪孔時(shí)，不可能有鏜銑的大型設(shè)備，因此較常用的是用鏜孔機(jī)來實(shí)現(xiàn)銑孔的加工。在加工的過程中輔之以整體鏜模來找正，保證孔的分布弦距均勻，在鏜銑好第一個(gè)孔后，還要在鏜好的孔中放入定位銷，一般放置兩至四個(gè)即可（如圖8所示）。

1.5 其他

轉(zhuǎn)輪在工地制造，還有一些工序與工廠內(nèi)制造基本相同，加工好的轉(zhuǎn)輪，需要進(jìn)行靜平衡，以保證轉(zhuǎn)輪在正常工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生特殊的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，從而使機(jī)組發(fā)生震動(dòng)。通常采用的平衡設(shè)備包括液壓、彈簧板、鋼球等，平衡的工藝過程和要求也與工廠制造一致。

圖8 鏜孔示意圖

2 結(jié)語

通過總結(jié)工地轉(zhuǎn)輪制造的經(jīng)驗(yàn)，不僅為大型電站轉(zhuǎn)輪工地加工提供了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為其他大型部件的工地制造提供了技術(shù)方面的支持，隨著水電開發(fā)逐漸向河流的源頭發(fā)展，工地制造的優(yōu)勢也會(huì)越來越顯著。

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