廣州抽水蓄能電廠A廠導(dǎo)葉加工工藝簡(jiǎn)析

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(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

0 引文

廣蓄A(yù)廠1號(hào)及3號(hào)機(jī)組自投入運(yùn)行至本輪大修時(shí)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(duì)1號(hào)機(jī)組及3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了第二輪大修。此次大修過(guò)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(guò)程中，決定對(duì)導(dǎo)葉軸頸進(jìn)行車(chē)圓，導(dǎo)葉端面補(bǔ)焊后車(chē)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(jiàn)圖1。

圖1 導(dǎo)葉示意圖

1 導(dǎo)葉及軸套基本情況

廣蓄A(yù)廠導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角范圍為0～26.6°，相應(yīng)開(kāi)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(gè)套筒，上軸套及中軸套分別在套筒兩端，下軸套有獨(dú)立的下套筒，軸套與套筒均采用過(guò)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

2 導(dǎo)葉損傷情況及原因分析

導(dǎo)葉加工前，對(duì)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(guò)程中，定導(dǎo)葉中心時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉軸存在不同程度的扭曲偏折。

2.1 導(dǎo)葉軸頸偏磨

導(dǎo)葉軸頸偏磨的主要原因有兩點(diǎn)：①導(dǎo)葉上中下軸套不同心；②導(dǎo)葉啟閉時(shí)徑向水推力；③軸套脫層后單邊擠壓。

導(dǎo)葉三個(gè)軸套不同心時(shí)，導(dǎo)葉三個(gè)軸頸在圓周上間隙不均勻。當(dāng)上中下軸套中的兩個(gè)軸套的偏心量大于等于導(dǎo)葉與軸套間隙時(shí)，導(dǎo)葉軸處于憋勁狀態(tài)，即導(dǎo)葉兩個(gè)軸頸上有一段分別貼緊兩個(gè)對(duì)應(yīng)軸套上的對(duì)應(yīng)位置（兩個(gè)貼緊位置法線角度在90°～180°之間）。導(dǎo)葉啟閉時(shí)，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(wú)磨損，長(zhǎng)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(zhǎng)期受力作用下會(huì)以兩個(gè)軸套貼緊位置為支點(diǎn)出現(xiàn)導(dǎo)葉軸線扭曲偏折。

導(dǎo)葉在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)葉片蝸殼測(cè)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(shí)，貼緊位置出現(xiàn)磨損。

廣蓄A(yù)廠4臺(tái)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(shí)擠壓位置磨損。

2.2 導(dǎo)葉端面刮傷

導(dǎo)葉端面刮傷是導(dǎo)水機(jī)構(gòu)常見(jiàn)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(guò)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(guó)牌號(hào) 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(shí)，導(dǎo)葉與抗磨板之間會(huì)有細(xì)小砂石夾雜，導(dǎo)葉啟閉時(shí)導(dǎo)葉及抗磨板端面會(huì)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(huì)折斷，在導(dǎo)葉不斷啟閉過(guò)程中，刮傷區(qū)域不斷擴(kuò)大。

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)葉受到軸向水推力的作用，導(dǎo)葉有向上竄動(dòng)的趨勢(shì)。止推環(huán)磨損后止推間隙大于上端面間隙時(shí)，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(shí)出現(xiàn)刮傷。

2.3 葉片兩端圓面刮傷

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(guò)程中導(dǎo)致刮傷。1號(hào)、3號(hào)機(jī)組大修中對(duì)40個(gè)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。

3 導(dǎo)葉損傷位置補(bǔ)焊

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(duì)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(shí)使用對(duì)稱焊法避免局部溫度過(guò)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?yàn)?-2-3-4-5-6，按照此順序逐步向中間靠攏。焊接時(shí)使用測(cè)溫槍測(cè)量距離焊點(diǎn)30 mm處的溫度，當(dāng)母材溫度高于100℃時(shí)停止焊接，冷卻后方可繼續(xù)進(jìn)行。焊接方法及要求見(jiàn)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。

4 導(dǎo)葉補(bǔ)焊后車(chē)削

導(dǎo)葉車(chē)削加工前定中心時(shí)，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(gè)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(chē)削時(shí)需要重新定導(dǎo)葉中心，常用的定中心方法有一點(diǎn)對(duì)中和兩點(diǎn)對(duì)中兩種。一點(diǎn)對(duì)中以導(dǎo)葉上軸頸上方50 mm處未磨損點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，調(diào)整卡盤(pán)使導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時(shí)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(duì)導(dǎo)葉其余位置進(jìn)行車(chē)削即可。

兩點(diǎn)對(duì)中相較一點(diǎn)對(duì)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(diǎn)進(jìn)行對(duì)中。方法為調(diào)整卡盤(pán)及打磨尾座頂針支撐位置滿足上述兩點(diǎn)在導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)時(shí)讀數(shù)均不變。以上述兩點(diǎn)的中心的連線作為導(dǎo)葉中心線及車(chē)床旋轉(zhuǎn)中心線。由于存在軸頸偏磨及偏折，上下兩點(diǎn)不能完全對(duì)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(shí)百分表讀數(shù)盡可能小，不超過(guò)0.05 mm。

一點(diǎn)對(duì)中與兩點(diǎn)對(duì)中相比，一點(diǎn)對(duì)中更加快捷方便，上軸頸的車(chē)削量可以控制到最小，但是中軸頸及下軸頸車(chē)削量較大，尤其是下軸頸存在較大的過(guò)車(chē)量；兩點(diǎn)對(duì)中調(diào)整起來(lái)更加困難，采用兩點(diǎn)對(duì)中上軸頸及下軸頸的車(chē)削量可以得到有效控制，下軸頸車(chē)削量較小，但由于不能完全對(duì)零，上軸頸車(chē)削量略大于一點(diǎn)對(duì)中；由于避免了導(dǎo)葉夾持傾斜，中軸頸的車(chē)削量略小于一點(diǎn)對(duì)中。

加工中，廣蓄1號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉加工采用了一點(diǎn)對(duì)中，3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉加工采用兩點(diǎn)對(duì)中，兩臺(tái)機(jī)組導(dǎo)葉車(chē)削前對(duì)中數(shù)據(jù)及車(chē)削量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3：? 由于車(chē)削前個(gè)別導(dǎo)葉存在嚴(yán)重偏磨及刮傷，不具有代表性，故剔除車(chē)削量差值0.15 mm以上的采樣點(diǎn)。結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析可以得出，1號(hào)機(jī)組及3號(hào)機(jī)組上軸頸車(chē)削量基本相同，1號(hào)機(jī)略小于3號(hào)機(jī)；中軸頸車(chē)削量相同，綜合20個(gè)導(dǎo)葉分析后車(chē)削量均值相同；下軸頸車(chē)削量1號(hào)機(jī)組略小于3號(hào)機(jī)，但由于檢修前3號(hào)機(jī)組測(cè)量下軸頸偏磨比1號(hào)機(jī)組嚴(yán)重，3號(hào)機(jī)下軸頸車(chē)削量相較1號(hào)機(jī)得到了更好的控制。

表3 1號(hào)機(jī)及3號(hào)機(jī)導(dǎo)葉軸頸車(chē)削量對(duì)比 單位：mm

軸頸車(chē)削時(shí)，由于軸頸在密封位置磨損量較大及個(gè)別位置偏磨嚴(yán)重，軸頸整個(gè)車(chē)圓時(shí)車(chē)削量超過(guò)或接近軸套加工裕量（軸套內(nèi)徑加工裕量0.50 mm），因此車(chē)削時(shí)在軸頸圓周方向超過(guò)2/3的位置車(chē)圓或者軸頸上存在寬度超過(guò)100 mm的完整圓面時(shí)，該軸頸加工合格。

導(dǎo)葉軸頸車(chē)削完成后進(jìn)行導(dǎo)葉端面補(bǔ)焊區(qū)域車(chē)削，車(chē)削時(shí)為了避免導(dǎo)葉葉片離心力引起的導(dǎo)葉變形，車(chē)床回轉(zhuǎn)速度控制在60 r/min以下，車(chē)削時(shí)從大頭外緣開(kāi)始進(jìn)刀，逐步車(chē)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(chē)削時(shí)對(duì)整個(gè)面進(jìn)行車(chē)削，未補(bǔ)焊位置車(chē)削量控制在0.02 mm以內(nèi)，避免車(chē)削過(guò)多導(dǎo)致導(dǎo)葉高度不足。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)廣蓄1號(hào)及3號(hào)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(shí)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(cè)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(lèi)型導(dǎo)葉和類(lèi)似導(dǎo)葉乃至長(zhǎng)軸型部（零）件軸線偏心的判斷及測(cè)量。同時(shí)，導(dǎo)葉軸頸車(chē)削的方法可對(duì)后續(xù)機(jī)組部件的加工有借鑒和指導(dǎo)意義。

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