大型透平發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝方法

(1發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心，黑龍江哈爾濱 150040； 2哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

當(dāng)今世界的大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑已經(jīng)達(dá)到1.3m,重達(dá)100t(2極，3000r/min);或達(dá)到2.0m，重達(dá)275t(4極，1500r/min)。對于不斷增加需求的核電站4極轉(zhuǎn)子來說，需要重達(dá)500t以上的鍛件毛胚來制作，然而世界上僅有少數(shù)幾個廠家能夠提供這種鍛件。這個問題已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

雖然大型汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)的轉(zhuǎn)子多年前就已實(shí)現(xiàn)焊接式結(jié)構(gòu)，而且發(fā)電機(jī)采用焊接式轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)理念就是來源于透平機(jī)，但是透平發(fā)電機(jī)(國際電工委員會IEC已經(jīng)規(guī)定：將汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)統(tǒng)一稱為“透平發(fā)電機(jī)”)轉(zhuǎn)子的焊接，在尺寸、重量、焊縫深度和電磁性能等方面卻有不同的要求，如鍛件的良好可焊性和磁性能。

進(jìn)行焊接試驗(yàn)，測定關(guān)鍵參數(shù)，焊接材料的導(dǎo)電性，焊縫的磁性能、力學(xué)性能、裂紋擴(kuò)展和熱處理，焊縫下面(用于儲存、緩解和緩慢疏散焊藥保護(hù)氣體的)空腔的設(shè)計(jì)，最深焊縫時施工工藝的可接近性、可操作性和安全性，焊縫的無損檢測等等都是開發(fā)過程中解決的關(guān)鍵課題。本文簡要就這些科研成果進(jìn)行說明。

1 工藝流程

發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子制造工藝流程與透平機(jī)采用的焊接式轉(zhuǎn)子[1-2](見圖1)基本上相同。

鍛件進(jìn)貨驗(yàn)收、單件加工、裝焊、精加工、防腐保護(hù)等工序。其中的裝焊工序包括以下幾道工步：由立式狀態(tài)的轉(zhuǎn)子放倒至水平狀態(tài)；進(jìn)行埋弧焊(水平狀態(tài))；超聲波探傷；在退火爐中進(jìn)行焊后熱處理；超聲波探傷。

而精加工則包括：車削至最終尺寸；轉(zhuǎn)子銑槽；主軸端部和接頭精加工；轉(zhuǎn)子去毛刺等。

圖1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不同，圖2所示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外圓分布有類似齒輪那樣的槽和齒，而且沿著軸向延伸很長，采用大直徑圓盤銑刀銑槽時，必須間隔性地通過多個焊接斷面，采用的硬質(zhì)合金刀片需要優(yōu)化選擇。防腐保護(hù)主要是進(jìn)行轉(zhuǎn)子本體和軸端刷漆。

圖2 發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子對接焊縫的結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子必須通過以下試驗(yàn)驗(yàn)證

(1)對于長達(dá)20m、重達(dá)275t的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，在吊運(yùn)過程中對公差影響的驗(yàn)證；

(2)對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，焊縫通過線槽的制造工藝、無損檢測方法和機(jī)械性能的驗(yàn)證；

(3)相對于透平機(jī)來說，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫的增加，對轉(zhuǎn)子動特性的評估；

(4)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫下部的空腔體積減小，對轉(zhuǎn)子電磁性能的評估；

(5)在承受離心力、彎曲力、熱力、轉(zhuǎn)矩、電磁場和電場等各種主要負(fù)載作用下，熱處理以后的強(qiáng)度、電磁和電導(dǎo)性能的驗(yàn)證；

(6)在運(yùn)行條件下，氫氣對材料性能影響的驗(yàn)證。

3 計(jì)算驗(yàn)證

3.1 電氣計(jì)算驗(yàn)證

3.1.1 勵磁電流在評估焊縫對勵磁電流的影響以后，還要考慮到幾個因素：(1)與傳統(tǒng)的整根鍛件相比的材料性能差異；(2)焊接區(qū)域的磁特性；(3)焊縫數(shù)量。

3.1.2 空腔和軸向間隙

在評估空腔和軸向間隙的影響后，還要考慮到幾個因素：(1)焊縫的數(shù)量；(2)空腔的體積和形狀；(3)圓盤之間的軸向間隙(它處于焊縫空腔和轉(zhuǎn)子內(nèi)孔之間)的寬度(參見圖2)。

3.1.3 驗(yàn)證的結(jié)果

采用焊接式轉(zhuǎn)子以后，經(jīng)過電氣計(jì)算驗(yàn)證的結(jié)果表明：(1)對勵磁電流的影響可以忽略不計(jì)；(2)對轉(zhuǎn)子繞組溫度沒有影響；(3)對發(fā)電機(jī)效率沒有影響；(4)沒有因?yàn)榭涨灰鸬娘柡托?yīng)。(5)在運(yùn)行性能方面，焊接式轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)的整根式轉(zhuǎn)子沒有區(qū)別。

3.2 機(jī)械計(jì)算驗(yàn)證

在下述運(yùn)行情況下，通過不同的機(jī)械計(jì)算來驗(yàn)證以下幾個方面：(1)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min運(yùn)行情況下的連續(xù)“啟動/停機(jī)”周期；(2)在1.2倍額定轉(zhuǎn)速條件下運(yùn)行的自旋轉(zhuǎn)測試；(3)在透平機(jī)過速為1.12倍額定轉(zhuǎn)速的條件下運(yùn)行情況；(4)盤車情況；(5)在2相、3相短路和失步的故障情況；(6)高周和低周疲勞裂紋擴(kuò)展情況等。

在動態(tài)特性方面和所有機(jī)械計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果表明，都具有足夠的安全性，而且對彎曲狀態(tài)下的臨界轉(zhuǎn)速和扭矩固有頻率都沒有重大影響。

3.3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

針對焊接式轉(zhuǎn)子進(jìn)行制造工藝規(guī)程、處理性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的試驗(yàn)驗(yàn)證，曾經(jīng)進(jìn)行了3年之久的全尺寸模型試驗(yàn)驗(yàn)證。模型的外徑為2000mm，總長為3150mm。模型的試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目如下：焊縫外形加工；焊接工藝(包括焊后熱處理)；超聲波探傷；焊縫修復(fù)工藝；精加工；焊縫的切割與剖切；材料測試。

在材料測試的項(xiàng)目中包括：鍛件母材化學(xué)分析；焊縫截面金相分析；焊縫和熱影響區(qū)的顯微硬度分析；抗拉試驗(yàn)；凹口沖擊試驗(yàn)；磁特性；電導(dǎo)性；熱膨脹系數(shù)；疲勞試驗(yàn)；斷裂裂紋擴(kuò)展；應(yīng)力腐蝕裂痕等。測試結(jié)果表明，材料可以完全滿足性能要求。

4 加工工藝的優(yōu)化

對于發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子，除了端部帶有法蘭的兩個軸頭以外，轉(zhuǎn)子本體還有4個圓柱形狀的區(qū)段，它們相互之間有待焊接成為整體的對接面共有5個。為了保證這種焊接式轉(zhuǎn)子與傳統(tǒng)上采用的單根整鍛式轉(zhuǎn)子之間的兼容性和互換性，在全尺寸模型上進(jìn)行了下述工藝過程的優(yōu)化。最重要的優(yōu)化就是V形焊縫改為窄間隙的U形(基本上與透平機(jī)一樣)。此外，還優(yōu)化了以下工藝方法：(1)轉(zhuǎn)子圓盤疊裝工藝，保證達(dá)到焊后要求的浮動值；(2)焊接空腔的清理，充分保證焊縫背部的氣體保護(hù)；(3)焊接順序，確保達(dá)到最優(yōu)焊縫質(zhì)量；(4)焊后熱處理，確保轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度緩慢而且均勻的分布[2]。除了上述重點(diǎn)工藝的優(yōu)化而外，其它主要工藝特點(diǎn)在文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]中已有詳細(xì)介紹。

5 無損探傷

在制造工藝過程中，要求進(jìn)行下述無損探傷檢驗(yàn)：(1)用于檢測鍛件內(nèi)部缺陷的超聲波探傷檢驗(yàn)主要集中在焊接區(qū)域；(2)用于鎢極氬弧焊焊縫(根部及其延續(xù)部分)的磁粉探傷檢驗(yàn)主要針對表面缺陷、未焊透和焊接缺陷的檢驗(yàn)；(3)埋弧焊以后、在退火爐中熱處理以前以及熱處理以后，進(jìn)行超聲波探傷。

最后，針對發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子編制了專項(xiàng)“無損檢驗(yàn)規(guī)程”，其中包括：供貨鍛件在疊裝時實(shí)施的鎢極氬弧焊的X光檢驗(yàn)；鍛件的無損檢驗(yàn)；用于無損檢驗(yàn)的預(yù)(車削)加工和所有焊縫的預(yù)檢[3]。

6 結(jié)語

(1)對于大型核電站透平發(fā)電機(jī)，現(xiàn)在可以采用焊接式轉(zhuǎn)子來取代原來的整根鍛件的轉(zhuǎn)子，從而緩解國際市場上大型鍛件訂貨困難的瓶頸問題。

(2)在發(fā)電機(jī)焊接式轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)工藝方面，應(yīng)當(dāng)特別注意來自電、磁和冷卻氫氣中的氫對焊接結(jié)構(gòu)工藝的影響，確保質(zhì)量。

(3)焊縫空腔和與兩個圓柱形對接面之間的間隙的設(shè)計(jì)很重要，必須進(jìn)行優(yōu)化選擇。

(4)由于采用了焊接式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)工藝，并達(dá)到了質(zhì)量保證要求，從而實(shí)現(xiàn)了與原來整根鍛件轉(zhuǎn)子的取代和互換。

[1] 王朋.核電汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)綜述[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2015(4),17-20.

[2] 龐慶.高參數(shù)大容量汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2014(6)，478-480.

[3] 戴國征.汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)要求[J].大電機(jī)技術(shù)，1981(1),21-24.

[4] 龍卉.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)要求[J].東方電機(jī)，2006(3),17-19.

[5] GB/T 11026—2010大型核電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件[M].