白鶴灘百萬千瓦水電機組導水機構制造質量控制

張東勝，張華清

(1.三峽機電工程技術有限公司，四川成都610041；2.長江三峽技術經濟發展有限公司，四川成都610041)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游，是金沙江下游4個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8臺水輪發電機組，單機容量1 000 MW，單機容量在世界已建和在建機組中最大；總裝機16 000 MW，總裝機在世界已建和在建機組中僅次于三峽水電站。

白鶴灘水電站左右岸水輪發電機組設備分別由東方電機廠和哈爾濱電機廠有限責任公司(以下簡稱哈電)制造。

2018年10月，白鶴灘右岸首臺導水機構在哈電順利通過業主方驗收，標志著世界首臺百萬千瓦水輪機導水機構的成功制造，也標志著中國向世界水電無人區邁出了堅定的一步。

導水機構是水輪發電機組設備中水輪機部分的關鍵部套，其制造質量對機組后續是否能安全穩定高效的運行十分關鍵。本文下面將對白鶴灘百萬水電機組導水機構的制造質量控制進行介紹。

2 白鶴灘水電機組導水機構結構特點

白鶴灘機組導水機構主要由底環、活動導葉、頂蓋、控制環、導葉操作機構等組成，圖1為預裝完成的的白鶴灘機組導水機構整體形象。

圖1 導水機構預裝整體形象

2.1 頂蓋

頂蓋最大外徑11.97 m，高2.72 m，整體質量約為380 t。頂蓋為鋼板焊接結構，主要由下環板、外法蘭、上環板、中間筋板和合縫面板等裝焊而成。為便于運輸，頂蓋廠內分為4瓣制造。頂蓋上環板布置有導葉上套筒、導葉操作機構、控制環和水導軸承等，下環板布置有導葉中套筒、測壓孔、補氣孔、主軸密封等。頂蓋下環板為過流面，在活動導葉對應位置裝焊一層不銹鋼抗磨板，在與轉輪上冠對應位置裝焊有不銹鋼固定止漏環和階梯止漏環。圖2為兩瓣頂蓋倒放準備把和。

圖2 兩瓣頂蓋倒放準備把和

2.2 底環

底環最大外徑11.35 m，高0.63 m，整體重約96 t。頂蓋為鋼板、鑄件裝焊結構，主要由上下環板、導葉下套筒鑄件、錐形環板等裝焊而成。為便于運輸，底環廠內分4瓣制造。底環上環板為過流面，裝焊一層不銹鋼鋼板，底環布置有補氣孔，底環導葉下套筒內裝壓有自潤滑軸瓦。圖3為正在進行機加工的底環。

圖3 底環進行機加工

圖4 控制環機加工(倒放)

2.3 控制環

控制環最大外徑約9.5 m，高1.82 m，整體重約55.6 t。控制環為鋼板焊接結構，主要由上、中、下環板和圍板等焊接而成。為便于運輸，控制環廠內分2瓣制造。控制環上環板布置兩個大耳孔與接力器相連，下環板布置有24個小耳孔與導葉操作機構相連。小耳孔裝壓有自潤滑軸瓦。為防止控制環動作時上臺，控制環與頂蓋之間設有壓板。圖4為正在進行機加工的控制環。

2.4 導葉操作機構

導葉操作機構主要包括導葉臂、連接板、剪斷銷、上下連扳、導葉上中套筒等。其中導葉臂、導葉上中套筒為鑄件，連接板、連扳為鋼板。導葉上中套筒裝壓有自潤滑軸瓦。

2.5 活動導葉

白鶴灘機組活動導葉有24件，單件導葉長5.07 m，導葉瓣體寬約1.4 m，單件重約8 t，導葉上、中、下軸頸直徑分別為0.46、0.48、0.48 m。導葉為整鑄不銹鋼結構，材質為ZG04Cr13Ni5Mo。與活動導葉配合的導葉上中軸套和底環上的導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葉。

圖5 加工完成的活動導葉

3 白鶴灘機組導水機構制造質量控制

3.1 白鶴灘機組導水機構原材料質量控制

原材料的質量控制是保證白鶴灘導水機構制造質量的基礎。白鶴灘導水機構累計設計幾千個部件，原材料有鋼板、鑄件。白鶴灘導水機構主要原材料使用情況見表1。

表1 白鶴灘導水機構主要原材料使用明細

3.1.1原材料供應廠家的優選

白鶴灘水電站機組單機容量1 000 MW，因此其對原材料的質量要求較高。為保證原材料質量，業主在簽訂機組合同時，根據以往機組供貨經驗，擇優選取材料牌號和供貨廠家，要求主機制造廠在采購原材料時必須在規定的范圍內選取，以此來從源頭控制原材料質量。白鶴灘機組導水機構業主方明確規定的原材料包括：頂蓋外法蘭、固定止漏環、活動導葉、厚度170 mm及以上的鋼板等。

3.1.2重要原材料的復檢

對于白鶴灘電站設備一般的原材料，只需通過審核原材料廠家的自檢材質證明文件即可。對于重要的原材料，需要主機廠進行復檢。白鶴灘電站為了進一步保證原材料質量，創新的對重要原材料提出了業主方檢測：對重要的原材料，在原材料廠家、主機廠分別檢測合格的基礎上，委托監造方通過第三方測試機構再次對材料進行檢測，三方都檢測合格后才能用于白鶴灘電站設備。原材料廠家、主機廠、監造方三家都需要對白鶴灘機組重要原材料進行了檢測，這更一步的保證了原材料的質量。白鶴灘電站機組導水機構需要進行業主方檢測的部件主要有頂蓋外法蘭、活動導葉。

3.1.3鑄件質量的控制

白鶴灘電站機組導水機構中的鑄件主要包括活動導葉，導葉上、中、下套筒，導葉臂等。鑄件一般容易產生鑄造缺陷。上述鑄件通過在粗加工后進行UT(超聲波)探傷消除內部缺陷，精加工后進行PT(滲透)和MT(磁粉)消除表面缺陷，保證了鑄件的質量。

3.2 白鶴灘機組導水機構焊接質量控制

白鶴灘電站機組導水機構焊接結構件主要包括頂蓋、底環、控制環。其中以頂蓋、底環焊接難度較大。頂蓋的焊接難點在于鋼板厚、焊縫多、焊量大；底環的焊接難度在于徑向尺寸大、高度方向尺寸小，焊后易產生變形。控制環結構、焊量適中，較頂蓋、底環焊接難度小。白鶴灘電站機組頂蓋、底環、控制環通過在焊前、焊中、焊后進行合理控制，最終質量滿足了設計要求。

白鶴灘機組導水機構頂蓋、底環、控制環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→轉加工序粗車→裝配、焊接抗磨板、止漏環等→清理、轉加工序。根據其工藝特點，可以把頂蓋、底環、控制環焊接的質量控制分為焊前、焊中和焊后。

3.2.1焊前

焊前主要是工藝準備和結構件裝配工作。

工藝準備主要是指頂蓋、底環、控制環的圖紙、焊接工藝卡、人員等的準備。圖紙、焊接工藝卡是焊接的指導性文件，首先在其編制后，需要交設計、工藝、監造人員進行審查；在頂蓋圖紙審查時，由監造人員發現頂蓋1處筋板漏開坡口，后續及時對圖紙進行了更改；其次，要向相關裝配、焊接、探傷、檢查人員對圖紙、焊接工藝卡進行交底，使其掌握制造過程的重點和難點。為了保證機組導水機構的焊接件質量，主機制造廠優選有經驗的裝配、焊接人員對頂蓋、底環、控制環進行裝配、焊接，并優選有經驗的探傷、檢查人員對焊接結構件進行檢查。

結構件裝配工作主要是指將頂蓋、底環、控制環等的分裝配部件裝配成整體，再由焊接人員進行焊接。結構部件裝配應嚴格按圖紙要求進行，裝配后應檢查各部分尺寸，基準線及相對位置是否正確，是否留有焊接收縮余量、機械加工余量等；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，能否起到固定作用，是否會給焊后帶來過大的內應力；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

白鶴灘機組導水機構頂蓋、底環、控制環焊縫焊接均采用熔化極氣體保護焊，焊材為焊絲。焊接時應嚴格按照焊接工藝卡規定的焊接工藝規范進行焊接。檢查人員、監造人員通過現場巡檢，對焊接規范執行情況進行檢查，檢查的內容主要由焊縫是否按要求預熱，焊接電壓、電流、速度等是否符合規范要求。在導水機構頂蓋、底環、控制環焊接過程中，監造人員多次發現未按規范要求進行預熱情況，均及時進行了糾正，最終保證了頂蓋、底環、控制環的焊接質量。

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等。檢查應嚴格按照圖紙、焊接工藝卡要求執行。監造在進行頂蓋焊后檢查時，發現帶油箱的1瓣頂蓋郵箱法蘭焊后變形，可能會造成油箱在機組運行時密封不好；監造方及時指出，主機廠更換了厚的法蘭重新焊接，結果合格，保證了頂蓋的質量。

3.3 導水機構加工質量控制

導水機構需要重點關注的加工部件包括頂蓋、底環、控制環和活動導葉，其中尤以頂蓋、底環加工尺寸多，加工難度大。加工尺寸的質量控制要重點關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。根據部件結構特點，下面分別對頂蓋、底環、控制環、活動導葉的加工質量控制進行介紹。

3.3.1頂蓋加工質量控制

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、止漏環等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關孔。根據頂蓋結構和工藝特點，對其加工質量控制要關注以下3點。

(1)頂蓋合縫面間隙。頂蓋合縫面間隙設計要求0.05 mm塞尺塞不進，局部間隙要求不超過0.10 mm。由于機床精度較差、頂蓋整體高度偏大和結構剛度好，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，用激光跟蹤儀來補償加工機床的精度，保證合縫面平面度。通過上述措施，最總合縫面間隙符合設計要求。

(2)頂蓋抗磨板、止漏環、導葉軸孔加工。頂蓋抗磨板與活動導葉瓣體端面配合，其平面度直接影響機組運行時導葉的端面密封性；頂蓋止漏環包括固定止漏環和階梯止漏環，止漏環與轉輪配合，間隙較小，其加工圓度、公差直接影響機組安裝時與轉輪的配合；頂蓋導葉中軸孔與導葉中軸配合，共24個孔，加工的位置度、直徑公差將影響導葉的裝配和動作靈活度，中軸孔的位置度還影響與底環的導葉下軸孔的同心度。因此，應重點關注這幾處尺寸的加工檢查。

(3)頂蓋相關孔。頂蓋上布置有測壓孔、補氣孔、排水孔等各種孔，孔的數量多，分布位置廣，應嚴格按照圖紙進行加工，防止錯加工、漏加工。

3.3.2底環加工質量控制

底環的加工工藝流程主要為：加工1/4瓣合縫面→兩個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、止漏環等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關孔。

底環的加工流程與頂蓋類似，由于底環高度小，合縫面間隙較頂蓋容易控制；底環的抗磨板、止漏環、導葉軸孔加工和各種孔的加工質量控制同頂蓋，這里不再贅述。底環由于徑向尺寸大、高度偏小，焊后已產生變形，且由于應力作用，底環可能發生變形的時間很長。為控制這一點，在底環粗加工后，對其進行一定時間的時效、來充分釋放其應力，然后再進行精加工，保證了底環的質量。

3.3.3控制環加工質量控制

控制環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。

控制環的加工較頂蓋、底環簡單，需要重點關注的是控制環24個小耳孔和2個大耳孔的加工質量：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活動導葉加工質量控制

活動導葉的加工工藝流程主要為：活動導葉車序加工導葉上中下軸頸→活動導葉銑序加工導葉瓣體→活動導葉單件加工完成，與導葉臂等裝配后加工分瓣鍵。

活動導葉的加工精度高，應重點控制兩點：

(1)活動導葉上中下軸頸分別與上套筒、中套筒和底環上的下套筒配合，軸頸的直徑公差小，且3個軸頸的同軸度要求高，檢查活動導葉尺寸時應重點關注。

(2)活動導葉與導葉臂間有3個分瓣銷孔，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，檢查時應重點關注。

3.4 白鶴灘機組導水機構廠內預裝

白鶴灘機組導水機構部件眾多，為保證各部件之間的配合質量，首臺導水機構在主機制造廠內進行了預裝。白鶴灘機組導水機構參與預裝的部件有底環、活動導葉、頂蓋、活動導葉操作機構(包括導葉臂、連接板、上下連扳等)、控制環等。

白鶴灘機組導水機構預裝后，需要檢查的項目有：①頂蓋、底環、控制環的合縫面間隙，要求間隙0.05 mm塞尺塞不進，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、底環固定止漏環同心度，要求不超過0.20 mm；④頂蓋、底環間抗磨板相對高度；⑤活動導葉端面、立面間隙；⑥活動導葉動作試驗，要求動作靈活，無卡阻；⑦活動導葉在10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、105%等11個開度下的開口大小，其中考核100%開口時24個導葉開口大小與其平均值偏差不超過±2%。

4 結 語

白鶴灘水電站水電機組設備是世界首臺百萬千瓦水輪發電機設備，其導水機構作為關進部套，制造難度非常大。通過對原材料、焊接、加工、預裝等四方面的質量控制，最終使世界首臺百萬千瓦水電機組導水機構順利通過了業主驗收。