摘 要：朱家莊水電站ZD661-LH-120水輪機組主軸斷裂后，在當地通過更換局部主軸，實現焊接再植，解決了焊接工藝、機加工工藝、加工精度、發電機與主軸整體加工同心度4個技術難題。主軸與轉子整體修復，省去了工藝復雜的主軸與轉子的拆卸安裝工序，比運至廠家更換新軸，節約維修資金，減少工期，增加發電量。 關鍵詞：水輪機組；主軸斷裂；主軸整體修復 中圖分類號：TK730.3+21　　　文獻標識碼：B 山東省費縣朱家莊水電站建于1980年，屬引水灌溉結合發電。安裝ZD661-LH-120型水輪機2臺，TSL215/21-14型發電機2臺，單機容量800 kW，總裝機0.16萬kW，設計年發電量320kwh。水輪機與發電機直聯，電站并網運行。 2002年3月15日，1號發電機組在運行狀態處于750kW出力時，因線路故障突然甩負荷，此時機組調速系統失靈，導水葉緊急關閉無效，同時進水閘門關閉系統亦突發故障，致使水輪發電機組飛車超過20min。機組在飛逸轉速下，水動力條件發生較大變化，加之水輪機氣蝕較嚴重，其動平衡嚴重破壞，在飛逸轉速下，機組發生劇烈擺動、振蕩，造成發電機主軸在推力頭環鍵部位上緣應力過于集中，將該部位剪斷。機組事故停機，給電站造成了較大的直接經濟損失。 1 確定修復方案 ZD661-LH-120型水輪發電機組是1965年設計定型的仿蘇產品，主軸與發電機轉子為熱裝配過緊配合，兩者重量達5.5t。發電機轉子直徑2100mm，長度1600mm。事故發生后，經過分析論證，認為解決主軸斷裂問題有2種方案： 方案一：把帶有發電機轉子的主軸運到廠家更換新軸。如果將轉子與主軸整體運至廠家，無論是在結構上還是在重量上都勢必增加運輸難度、運輸費用和處理工期，而且廠家也需在更換主軸時拆卸發電機轉子才能完成組合裝配工序。更換需要費用15萬元，工期至少2個月。此時正值春灌高峰，機組如不能盡快運轉發電，水能白白浪費，將造成巨大的經濟損失。 方案二：在當地更換局部主軸，實現焊接再植。優點是運輸距離短，修復速度快，費用少。但需解決相關的4個技術問題：一是焊接工藝問題；二是機加工工藝問題；三是加工精度問題；四是發電機與主軸整體加工同心度問題。發電機與主軸整體加工同心度問題是一項新課題，轉子直徑2100mm、長度1600mm，這樣大的部件整體加工，意味著高工藝、高精度、高難度、高風險，不但在山東省沒有先例，而且在全國也十分罕見。 經過認真研究，充分論證，認為可以解決相關的技術問題，達到預期效果，Z后確定采用方案二，即對主軸局部更換，就地修復。 2 修復技術與加工工藝 2.1確定主軸修復部位主軸斷裂修復的關鍵是通過一定的技術先將主軸恢復原貌，然后通過加工工藝使主軸符合精度要求。而該軸斷裂部位在發電機推力頭環鍵處上緣，長度30mm，直徑160mm，難以焊接。該部位是與推力頭配合裝配的部位，配合方式為靜配合，加工精度要求很高，由于焊接點不易車削，其平面度、直線度也難以掌握，更重要的是焊接部位是水力機組的承重受力點，抗剪強度很難達到原軸標準，因此，該斷裂處不能作為修復部位。 確定解決的辦法是從斷裂部位開始向下取250mm處截斷去掉，利用同型號同規格尺寸的同質材料，按一定的技術工藝焊接，加工至符合精度要求。選取該部位的優點是，該部位截面大，受力情況簡單，主要承受軸向拉應力，而此處所承受的扭矩很小，剪應力也很小；焊接簡單、易操作，修復完成后對原來的破壞部位沒有任何影響。 2.2 主軸焊接技術 機組拆卸后，將帶有轉子的主軸整體運到機械廠，在距主軸上端(含斷裂部分)250mm處截斷棄掉，與轉子連接的軸上端切成120°的倒“V”形錐體待接，將在市場上購置的長度250mm、直徑等同于原軸直徑的35號圓鋼下端也切成120°角的“V”形錐體待接。將兩者認真對接，并嚴格掌握同心度符合標準，用506焊條按國標工藝焊接成整體。焊接過程中按照由里向外的順序，層層進行，焊接要均勻、密實，焊縫要連續，無假焊、漏焊、蜂窩焊等，并保證焊件在保持一定的溫度下焊接，以確保焊接質量。焊縫要求達到一級標準，兩軸要均勻地焊接為一體待加工。 2.3 主軸整體加工工藝 帶有轉子的主軸重量達5.5t，轉子直徑2100mm，兩端各有80mm長軸。這么重的大直徑物品，當地現有車床無法進行車削加工處理，而使用鏜床加工則解決了這一問題。加工處理的順序為：將帶有轉子的主軸處置于鏜床的工作平臺上，用夾板將轉子固定于平臺上，但不要過緊，以便于調整位置。主軸兩端分別用可調型三角支架支撐待固定，將百分表(千分表亦可)置于鏜床主軸上(放置刀具的軸)，以原軸上端面為基準面。用百分表從轉子右端的主軸上端緩慢作縱向往復運動，根據百分表測量讀數調整主軸兩端高度，當百分表測量值小于等于0.1mm時，則主軸上下面即為水平面。用同樣的方法校正主軸兩側面與鏜床主軸平行，然后把轉子夾板、三角支架固牢，調整鏜床刀具對軸的車削深度至標準值，啟動鏜床開始工作。車削過程中，其工藝要嚴格掌握主軸同心度，其誤差控制在±0.02mm。Z后按工藝要求，車削出安裝推力頭環鍵部位，其長度30mm，直徑160mm。 3 安全可靠性分析核算 該焊接部位位于發電機轉子上方，推力頭下方，此處主要承受發電機轉動部分的重量和水推力，而且軸直徑(180mm)大于安裝推力頭環鍵處的軸直徑(160mm)，機組運轉時該處主要荷載為發電機轉子、轉輪、軸及水推力等軸向負荷，扭矩很小，只要焊接可靠，機組運轉就會安全可靠。 焊接點所受的軸向力N為： N=轉輪水推力+轉輪重量+發電機轉子重量+主軸重量水推力F為： 式中：D為轉輪直徑；H為水頭；y為水的密度；k為系數。 查圖紙設備部件重量為：轉輪重量1t，主軸重量0.6t，發電機轉子4.8t，則： N=14+1+4.8+0.6=200(kN) 焊接部位Z大拉應力Q為： Q=N/S′=200/0.0254 34=7.86(MPa)<225MPa 式中：S′為主軸截面積。 根據國標，35號圓鋼和506焊條的抗拉強度：1，2級焊縫為265 MPa，3級焊縫為225MPa。規程規定，焊縫達到1，2級標準，不用驗算。 4 焊接探傷檢測 為確保焊接質量，對焊接部位進行了超聲波探傷檢測。結果表明：焊接接頭質量符合2級要求，焊接合格。 通過對主軸焊接部位的可靠性分析和焊接工藝檢測、檢查、計算，焊接強度符合國標要求，滿足水輪機組自重和水壓力的要求，安全有保障。 5　運行試驗 該軸加工處理后投入運行，是否符合原軸技術要求，重要的一點是看其運行擺度是否小于允許值(0.3 mm)。為此，我們于2002年4月1日開始安裝試驗：步，按照正常的安裝規程和標準，單獨將發電機轉子與主軸安裝完畢，進行人工盤車，用人工旋轉發電機主軸并用百分表測量擺度，發電機主軸靠背輪的雙幅振擺值為0.07mm，小于廠家規定的0.08mm的允許值。第二步，將發電機主軸與水輪機主軸用螺絲緊固起來，開始進行人工總盤車，用同樣的方法測量水輪機導軸承處的擺度，測量值為0.1mm，小于規定的0.3mm的允許值。第三步，按照正常的操作規程，啟動水輪發電機組，空載運行1h，測其主軸擺度0.1 mm，然后帶負荷20%、50%、75%、100%、125%分別在水輪機水導軸承處測其主軸擺度為0.10、0.12、0.14、0.15mm，Z大擺度小于允許值，整機無振動，無摩擦現象，推力軸承、導軸承溫度在允許值范圍內。后投入運行發電至今已1.5年，各項指標均正常，說明該技術方案正確。 6　效益分析 主軸斷裂后更換原廠家原型號主軸需要連同轉子運至廠家，包括運輸費在內每條軸需資金15萬元。而在當地加工修復，每條軸實際費用僅為0.75萬元(其中：材料費300元，加工費0.35萬元，運輸安裝等費用0.37萬元)，每條軸節約資金14.25萬元。 同時，由于節省了維修時間，提前發電，也增加了發電收入，降低了損失。該站1號發電機主軸斷裂時間為2002年3月15日，春灌開始即發生事故，如更換原廠家原型號主軸，工期至少2個月。而在當地加工處理，工期10d，減少工期50d，即提前50d發電，每天發電1.2萬kwh，共增加發電量60萬kwh，按0.32元/kWh計算，可增加發電收入19.2萬元。上述2項合計創經濟效益33.15萬元，效益非常可觀。 7　結 語 該站ZD661-LH-120水輪機組主軸斷裂整體修復技術方案，重點是掌握好主軸焊接及車削過程中的同心度、直線度、表面粗糙率。使用鏜床車削，解決了大直徑笨重物品在當地五條件使用車床車削的問題。該方案投資少、工期短、簡便易行、技術可靠，是解決電站發電機主軸及水輪機主軸斷裂問題的有效途徑。 參考文獻 鄭建興．淺析中小型水力機組運行穩定性[J]．中國農村水利水電，2002，(6)． 楊志清．TSL260/35-20發電機運行穩定分析[J]．中國農村水利水電，2003，(2)． 作者單位：山東省費縣水利局