摘 要：朱家莊水電站ZD661-LH-120水輪機組主軸斷裂后，在當?shù)赝ㄟ^更換局部主軸，實現(xiàn)焊接再植，解決了焊接工藝、機加工工藝、加工精度、發(fā)電機與主軸整體加工同心度4個技術(shù)難題。主軸與轉(zhuǎn)子整體修復(fù)，省去了工藝復(fù)雜的主軸與轉(zhuǎn)子的拆卸安裝工序，比運至廠家更換新軸，節(jié)約維修資金，減少工期，增加發(fā)電量。 關(guān)鍵詞：水輪機組；主軸斷裂；主軸整體修復(fù) 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(jié)合發(fā)電。安裝ZD661-LH-120型水輪機2臺，TSL215/21-14型發(fā)電機2臺，單機容量800 kW，總裝機0.16萬kW，設(shè)計年發(fā)電量320kwh。水輪機與發(fā)電機直聯(lián)，電站并網(wǎng)運行。 2002年3月15日，1號發(fā)電機組在運行狀態(tài)處于750kW出力時，因線路故障突然甩負荷，此時機組調(diào)速系統(tǒng)失靈，導(dǎo)水葉緊急關(guān)閉無效，同時進水閘門關(guān)閉系統(tǒng)亦突發(fā)故障，致使水輪發(fā)電機組飛車超過20min。機組在飛逸轉(zhuǎn)速下，水動力條件發(fā)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(zhuǎn)速下，機組發(fā)生劇烈擺動、振蕩，造成發(fā)電機主軸在推力頭環(huán)鍵部位上緣應(yīng)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(jīng)濟損失。 1 確定修復(fù)方案 ZD661-LH-120型水輪發(fā)電機組是1965年設(shè)計定型的仿蘇產(chǎn)品，主軸與發(fā)電機轉(zhuǎn)子為熱裝配過緊配合，兩者重量達5.5t。發(fā)電機轉(zhuǎn)子直徑2100mm，長度1600mm。事故發(fā)生后，經(jīng)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(fā)電機轉(zhuǎn)子的主軸運到廠家更換新軸。如果將轉(zhuǎn)子與主軸整體運至廠家，無論是在結(jié)構(gòu)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(fā)電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)電，水能白白浪費，將造成巨大的經(jīng)濟損失。 方案二：在當?shù)馗鼡Q局部主軸，實現(xiàn)焊接再植。優(yōu)點是運輸距離短，修復(fù)速度快，費用少。但需解決相關(guān)的4個技術(shù)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(fā)電機與主軸整體加工同心度問題。發(fā)電機與主軸整體加工同心度問題是一項新課題，轉(zhuǎn)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(fēng)險，不但在山東省沒有先例，而且在全國也十分罕見。 經(jīng)過認真研究，充分論證，認為可以解決相關(guān)的技術(shù)問題，達到預(yù)期效果，Z后確定采用方案二，即對主軸局部更換，就地修復(fù)。 2 修復(fù)技術(shù)與加工工藝 2.1確定主軸修復(fù)部位主軸斷裂修復(fù)的關(guān)鍵是通過一定的技術(shù)先將主軸恢復(fù)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(fā)電機推力頭環(huán)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(fù)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(guī)格尺寸的同質(zhì)材料，按一定的技術(shù)工藝焊接，加工至符合精度要求。選取該部位的優(yōu)點是，該部位截面大，受力情況簡單，主要承受軸向拉應(yīng)力，而此處所承受的扭矩很小，剪應(yīng)力也很?。缓附雍唵?、易操作，修復(fù)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(shù) 機組拆卸后，將帶有轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xù)，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(zhì)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(zhuǎn)子的主軸重量達5.5t，轉(zhuǎn)子直徑2100mm，兩端各有80mm長軸。這么重的大直徑物品，當?shù)噩F(xiàn)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(zhuǎn)子的主軸處置于鏜床的工作平臺上，用夾板將轉(zhuǎn)子固定于平臺上，但不要過緊，以便于調(diào)整位置。主軸兩端分別用可調(diào)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(zhuǎn)子右端的主軸上端緩慢作縱向往復(fù)運動，根據(jù)百分表測量讀數(shù)調(diào)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(cè)面與鏜床主軸平行，然后把轉(zhuǎn)子夾板、三角支架固牢，調(diào)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(huán)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(fā)電機轉(zhuǎn)子上方，推力頭下方，此處主要承受發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的重量和水推力，而且軸直徑(180mm)大于安裝推力頭環(huán)鍵處的軸直徑(160mm)，機組運轉(zhuǎn)時該處主要荷載為發(fā)電機轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)就會安全可靠。 焊接點所受的軸向力N為： N=轉(zhuǎn)輪水推力+轉(zhuǎn)輪重量+發(fā)電機轉(zhuǎn)子重量+主軸重量水推力F為： 式中：D為轉(zhuǎn)輪直徑；H為水頭；y為水的密度；k為系數(shù)。 查圖紙設(shè)備部件重量為：轉(zhuǎn)輪重量1t，主軸重量0.6t，發(fā)電機轉(zhuǎn)子4.8t，則： N=14+1+4.8+0.6=200(kN) 焊接部位Z大拉應(yīng)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(jù)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(guī)程規(guī)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(zhì)量，對焊接部位進行了超聲波探傷檢測。結(jié)果表明：焊接接頭質(zhì)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(shù)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(guī)程和標準，單獨將發(fā)電機轉(zhuǎn)子與主軸安裝完畢，進行人工盤車，用人工旋轉(zhuǎn)發(fā)電機主軸并用百分表測量擺度，發(fā)電機主軸靠背輪的雙幅振擺值為0.07mm，小于廠家規(guī)定的0.08mm的允許值。第二步，將發(fā)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(dǎo)軸承處的擺度，測量值為0.1mm，小于規(guī)定的0.3mm的允許值。第三步，按照正常的操作規(guī)程，啟動水輪發(fā)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(dǎo)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(xiàn)象，推力軸承、導(dǎo)軸承溫度在允許值范圍內(nèi)。后投入運行發(fā)電至今已1.5年，各項指標均正常，說明該技術(shù)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(zhuǎn)子運至廠家，包括運輸費在內(nèi)每條軸需資金15萬元。而在當?shù)丶庸ば迯?fù)，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(jié)約資金14.25萬元。 同時，由于節(jié)省了維修時間，提前發(fā)電，也增加了發(fā)電收入，降低了損失。該站1號發(fā)電機主軸斷裂時間為2002年3月15日，春灌開始即發(fā)生事故，如更換原廠家原型號主軸，工期至少2個月。而在當?shù)丶庸ぬ幚?，工?0d，減少工期50d，即提前50d發(fā)電，每天發(fā)電1.2萬kwh，共增加發(fā)電量60萬kwh，按0.32元/kWh計算，可增加發(fā)電收入19.2萬元。上述2項合計創(chuàng)經(jīng)濟效益33.15萬元，效益非常可觀。 7　結(jié) 語 該站ZD661-LH-120水輪機組主軸斷裂整體修復(fù)技術(shù)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?shù)匚鍡l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(shù)可靠，是解決電站發(fā)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(wěn)定性[J]．中國農(nóng)村水利水電，2002，(6)． 楊志清．TSL260/35-20發(fā)電機運行穩(wěn)定分析[J]．中國農(nóng)村水利水電，2003，(2)． 作者單位：山東省費縣水利局