立式水電機組大軸法蘭連接工藝改進

程興智 趙小丹 胡偉 宿楊

摘 要：大軸法蘭連接傳統工藝是利用吊車通過拽拉鋼絲繩使螺栓逐漸擰緊，作業過程費時費力，工作效率低，且工作危險性較大。為解決此問題，通過設計一套專用工具，以上法蘭面為支撐點，利用油壓千斤頂將轉輪和水輪機主軸直接頂起，消除其縫隙，然后利用液壓扳手使螺栓逐漸擰緊。新工藝提高了工作效率，節約了大量的人力和物力，保證了作業安全和作業質量，同時還可用于其它水電機組，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：傳統工藝；新工藝 ；大軸法蘭；專用工具

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A

云峰發電廠是位于鴨綠江上的一座中朝兩國合資興建、共同受益、中方管理的大型水電站。廠內共裝有4臺單機容量10萬kW的立式混流式機組，水輪機軸與發電機軸、水輪機軸與轉輪均采用法蘭連接，共有連接螺栓40個，單個螺栓重達55kg。4臺機組自投產至今，已運行46年，按規程要求的8年一次A級檢修，期間已進行A修工作數臺次。每次機組A修，水輪機軸與發電機軸連接法蘭必須分解，經處理后再連接，由于螺栓尺寸大、重量重，又是銷釘螺栓，配合間隙極小，又有預緊力的要求，給大軸法蘭的分解和連接工作帶來了很多難題，特別是大軸法蘭連接時上下法蘭的合縫問題，一直是亟待解決的難題。

1 傳統連接工藝簡介

1.1 工藝過程

當大軸法蘭清掃完畢后，轉子回吊，兩大軸法蘭相距10-15mm時，對稱穿入4個銷釘螺栓（起引導作用），待止口進入后，將轉子回落到風閘上，然后帶上螺帽。 按照圖1所示，設置輪滑、扳手、鋼絲繩，利用橋式起重機通過拽拉鋼絲繩使螺栓逐漸擰緊。

由于轉子回落到風閘后，上下法蘭之間要留有5-9mm的縫隙，加之連接螺栓為銷釘螺栓，螺栓與法蘭孔洞配合間隙極小，要合上上下法蘭之間的縫隙，需要對稱擰緊4個引導螺栓，使縫隙逐漸變小直至為零。使用的專用扳手重量達60kg，要合上此縫隙，需要倒用扳手和滑輪多達80次，歷時4個小時，不僅浪費人力也浪費時間。

大軸法蘭縫隙為零后，穿入其它16個螺栓，設上螺栓伸長值測量工具，依次拉緊至規程規定的伸長值。此過程又要耗費近3個多小時，待16個螺栓全部合格后，采用同樣的方法將4個引導螺栓拉松，設上測量工具，重新拉緊至規程規定的伸長值。 至此，大軸法蘭連接工作才算正式完成。

1.2 傳統工藝的弊端

（1）工作危險性較大。拉緊螺栓的過程中，容易發生鋼絲繩斷裂、輪滑崩裂、扳手折斷的情況，可能造成人身傷亡或設備損壞事故。2010年，云峰發電廠3號機組A級檢修過程中，就發生了扳手折斷現象，差點釀成事故。

（2）過程繁瑣，費時費力。整個連接過程耗時7個多小時，頻繁倒用60kg的專用扳手和輪滑100多次，4個引導螺栓拉緊后還得拉松再拉緊，間接增加了8個螺栓的工作量。

（3）在上下法蘭合縫環節中，由于頻繁倒用專用扳手或輪滑，容易導致雜物進入法蘭結合面，降低法蘭連接質量，造成主軸彎曲度過大，導致機組擺度過大。

2 新工藝簡介

2.1 技術核心

新工藝的技術核心：當轉子回吊，上下法蘭相距10-15mm時，對稱穿入4個引導螺栓，并裝設4套專用工具（見圖2，具體布置方式見圖3），以上法蘭為支撐面，利用8臺油壓千斤頂，將轉輪和水輪機主軸直接頂起，直至間隙為零，然后使用液壓扳手按順序直接將4個引導螺栓擰緊至規定伸長值，卸下工具，穿入其它螺栓，按順序將各個螺栓擰緊至規定伸長值即可。

2.2技術依據

根據新工藝的特點，專用工具的設計和制作，油壓千斤頂及液壓扳手的選取是關鍵。根據圖2可見，轉輪和水輪機主軸頂起后，全部重量通過千斤頂傳遞到專用工具底座，再通過中心螺桿1傳遞到上法蘭，因此中心螺桿的強度要求很高，且螺桿不易太粗以致加重工具重量。為此應根據機組轉輪和水輪機主軸的重量，選取合理的中心螺桿，選取合適的油壓千斤頂。

下邊以云峰發電廠3號機組為例，介紹中心螺桿直徑的確定方法及油壓千斤頂的選取方法。

經查閱資料得知，3號機轉輪重量G1=38.7t，主軸重量 G1=22.171t。

G總=G1+G2=60.872t

Fz=G總×1000×9.8=60.872×1000×9.8=596545.6N

考慮到止口及銷釘螺栓存在一定的摩擦力，故總載荷：

F總=K*FZ

取系數k=1.5，可得：F總=K*FZ=1.5 ×596545.6=894818.4N

（1）中心螺桿直徑的確定

由于設置四套工具，故單個螺栓承受的軸向載荷為：

FC=K*FZ/4=1.5×596545.6/4=2223704.6N

中心螺桿的材質選取45#鋼，查的σs=360MP。

根據公式：

其中SS為安全系數，一般取1.7。

求得：

根據GB/T196-2003，選擇M42螺栓，即可滿足要求。

（2）油壓千斤頂的選取

根據轉輪重量和水輪機軸重量，可選擇8臺同種型號的25噸油壓千斤頂即可。

（3）底座和頂座的選取

根據轉輪重量和水輪機軸重量，底座采用厚度為20mm鋼板焊接成工字結構，頂座采用直徑為φ180mm的圓鋼制作。詳見下圖2。

（4）液壓扳手的選取

根據螺栓大小和預緊力的要求，選擇合適的液壓扳手。

根據以上的計算結果，可知此種工藝是切實可行的。

3新工藝實施方式

3.1 附圖說明

圖2為專用工具結構圖。1為中心螺桿，2為螺帽，3為頂座（具有承重、限位雙重作用），4為下部限位機構，5為油壓千斤頂，6為底座。（全部重量均通過它傳遞到中心螺桿上，在傳遞到上法蘭。）

圖3為專用工具及引導螺栓平面布置圖。圖中1號、6號、11號、16號孔穿入引導螺栓（也可選取其他4個對稱的孔），3號、9號、13號、19號孔為專用工具設置位置。

圖4 為專用工具安裝示意圖。

3.2具體實施方式

下面結合附圖，詳細介紹一下新工藝的具體實施方式。

（1）參照圖3，穿入1號、6號、11號、16號銷釘螺栓，作為引導螺栓，旋上螺帽。

（2）參照圖4，設置專用工具，專用工具設置在3號、9號、13號、19號，將各臺油壓千斤頂壓至剛使力為止。

（3）安排一人作總指揮，每臺壓機各安排一人操作，聽從總指揮指令，同時操作，使壓機同步上升。總指揮時刻檢查測量圓周各部位縫隙大小，適當調整，使縫隙慢慢合上，直至間隙為零，用0.05mm塞尺測量不通過為合格。目前市場已有1拖8的新型油壓千斤頂，使用此種千斤頂，可保證上升過程中千斤頂始終同步，更加可靠穩定。

（4）將4個引導螺栓用千斤頂頂靠，用專用扳手將螺帽擰緊。

（5）4個引導螺栓底部打入楔鐵，并用電焊點死，使螺栓不能旋轉。

（6）裝上伸長值測量工具，用液壓扳手按順尋將4個螺栓擰緊至規程規定的伸長值。

（7）4個螺栓全部擰緊后，卸下專用工具，穿入其他16個大軸螺栓，用千斤頂頂靠，并用專用扳手將螺帽擰緊。

（8）16個螺栓底部打入楔鐵，用電焊點死，保證拉螺栓過程中螺栓不旋轉。

（9）按照步驟（6），按順序將16個螺栓拉緊至規程規定的伸長值。

（10）回裝保護罩，清潔現場，連接工作結束。

4 新工藝的優點

（1）使用專用的液壓扳手松緊螺栓，取代了吊車松緊螺栓法，避免了鋼絲繩斷裂、輪滑崩裂、扳手折斷的情況的發生，消除了隱患，提高了工作的安全性。

（2）通過設計專用工具解決了上下法蘭的合縫問題。傳統工藝僅法蘭合縫就需要4個小時，采用新工藝，上下法蘭合縫僅需要10分鐘時間，大大的提高了工作效率。合縫后，可直接將4個引導螺栓拉緊至規程規定的伸長值，較傳統工藝間接減少了8個螺栓的工作量。

（3）使用專用工具連接法蘭，縮短連接時間的同時，降低了雜物進入法蘭結合面的可能性，提高了法蘭連接質量。

（4）采用傳統工藝拉緊一個螺栓需要10分鐘左右的時間，采用液壓扳手擰緊螺栓僅需3分鐘時間，大大的提高了工作效率。另外，無需再浪費人力來頻繁倒用專用扳手、輪滑等，節約了人力和物力。

結語

大軸法蘭連接工藝改進后，減少了8個螺栓的工作量，大大的縮短了工作時間，以前3個小時的合縫工作，現在僅需10分鐘，大大的提高了工作效率，節省了大量的人力和物力，為云峰發電廠創造了一定的經濟效益。2013年5月，3號機A級檢修中，首次采用了新型連接工藝，機組恢復運行至今已有一年時間，大軸各部位的擺度和振動均滿足規程要求。實踐證明，新型工藝是可行的、也是可靠的。

新工藝不僅可以用于水輪機軸與發電機軸的連接，也可用于水輪機軸和轉輪的連接。新工藝不僅僅適合于云峰發電廠的機組，也適合于其它立式水電機組，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學（I）第五版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]張誠，陳國慶.水輪發電機組檢修[M].北京：中國電力出版社，2012.

作者簡介：程興智：單位名稱：云峰發電廠；性別：男 籍貫：河南省洛陽市；出生年月：1984.10；研究方向：熱能與動力工程專業（水動方向）；目前學歷：碩士研究生；畢業學院：華北水利水電大學；現有職稱：工程師。