摘 要：朱家莊水電站ZD661-LH-120水輪機(jī)組主軸斷裂后，在當(dāng)?shù)赝ㄟ^更換局部主軸，實(shí)現(xiàn)焊接再植，解決了焊接工藝、機(jī)加工工藝、加工精度、發(fā)電機(jī)與主軸整體加工同心度4個(gè)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(yùn)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(jī)組；主軸斷裂；主軸整體修復(fù) 中圖分類號(hào)：TK730.3+21　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 山東省費(fèi)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(jī)2臺(tái)，TSL215/21-14型發(fā)電機(jī)2臺(tái)，單機(jī)容量800 kW，總裝機(jī)0.16萬kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量320kwh。水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直聯(lián)，電站并網(wǎng)運(yùn)行。 2002年3月15日，1號(hào)發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)處于750kW出力時(shí)，因線路故障突然甩負(fù)荷，此時(shí)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)失靈，導(dǎo)水葉緊急關(guān)閉無效，同時(shí)進(jìn)水閘門關(guān)閉系統(tǒng)亦突發(fā)故障，致使水輪發(fā)電機(jī)組飛車超過20min。機(jī)組在飛逸轉(zhuǎn)速下，水動(dòng)力條件發(fā)生較大變化，加之水輪機(jī)氣蝕較嚴(yán)重，其動(dòng)平衡嚴(yán)重破壞，在飛逸轉(zhuǎn)速下，機(jī)組發(fā)生劇烈擺動(dòng)、振蕩，造成發(fā)電機(jī)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(jī)組事故停機(jī)，給電站造成了較大的直接經(jīng)濟(jì)損失。 1 確定修復(fù)方案 ZD661-LH-120型水輪發(fā)電機(jī)組是1965年設(shè)計(jì)定型的仿蘇產(chǎn)品，主軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為熱裝配過緊配合，兩者重量達(dá)5.5t。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑2100mm，長(zhǎng)度1600mm。事故發(fā)生后，經(jīng)過分析論證，認(rèn)為解決主軸斷裂問題有2種方案： 方案一：把帶有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的主軸運(yùn)到廠家更換新軸。如果將轉(zhuǎn)子與主軸整體運(yùn)至廠家，無論是在結(jié)構(gòu)上還是在重量上都勢(shì)必增加運(yùn)輸難度、運(yùn)輸費(fèi)用和處理工期，而且廠家也需在更換主軸時(shí)拆卸發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子才能完成組合裝配工序。更換需要費(fèi)用15萬元，工期至少2個(gè)月。此時(shí)正值春灌高峰，機(jī)組如不能盡快運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，水能白白浪費(fèi)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。 方案二：在當(dāng)?shù)馗鼡Q局部主軸，實(shí)現(xiàn)焊接再植。優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)輸距離短，修復(fù)速度快，費(fèi)用少。但需解決相關(guān)的4個(gè)技術(shù)問題：一是焊接工藝問題；二是機(jī)加工工藝問題；三是加工精度問題；四是發(fā)電機(jī)與主軸整體加工同心度問題。發(fā)電機(jī)與主軸整體加工同心度問題是一項(xiàng)新課題，轉(zhuǎn)子直徑2100mm、長(zhǎng)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(xiǎn)，不但在山東省沒有先例，而且在全國也十分罕見。 經(jīng)過認(rèn)真研究，充分論證，認(rèn)為可以解決相關(guān)的技術(shù)問題，達(dá)到預(yù)期效果，Z后確定采用方案二，即對(duì)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(jī)推力頭環(huán)鍵處上緣，長(zhǎng)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(diǎn)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(jī)組的承重受力點(diǎn)，抗剪強(qiáng)度很難達(dá)到原軸標(biāo)準(zhǔn)，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?cái)嗳サ?，利用同型?hào)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(diǎn)是，該部位截面大，受力情況簡(jiǎn)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??；焊接簡(jiǎn)單、易操作，修復(fù)完成后對(duì)原來的破壞部位沒有任何影響。 2.2 主軸焊接技術(shù) 機(jī)組拆卸后，將帶有轉(zhuǎn)子的主軸整體運(yùn)到機(jī)械廠，在距主軸上端(含斷裂部分)250mm處截?cái)鄺壍?，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(chǎng)上購置的長(zhǎng)度250mm、直徑等同于原軸直徑的35號(hào)圓鋼下端也切成120°角的“V”形錐體待接。將兩者認(rèn)真對(duì)接，并嚴(yán)格掌握同心度符合標(biāo)準(zhǔn)，用506焊條按國標(biāo)工藝焊接成整體。焊接過程中按照由里向外的順序，層層進(jìn)行，焊接要均勻、密實(shí)，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(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，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(dá)5.5t，轉(zhuǎn)子直徑2100mm，兩端各有80mm長(zhǎng)軸。這么重的大直徑物品，當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有車床無法進(jìn)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?yàn)椋簩в修D(zhuǎn)子的主軸處置于鏜床的工作平臺(tái)上，用夾板將轉(zhuǎn)子固定于平臺(tái)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(zhǔn)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(yùn)動(dòng)，根據(jù)百分表測(cè)量讀數(shù)調(diào)整主軸兩端高度，當(dāng)百分表測(cè)量值小于等于0.1mm時(shí)，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(duì)軸的車削深度至標(biāo)準(zhǔn)值，啟動(dòng)鏜床開始工作。車削過程中，其工藝要嚴(yán)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(zhǎng)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(jī)轉(zhuǎn)子上方，推力頭下方，此處主要承受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)該處主要荷載為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)輪、軸及水推力等軸向負(fù)荷，扭矩很小，只要焊接可靠，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)就會(huì)安全可靠。 焊接點(diǎn)所受的軸向力N為： N=轉(zhuǎn)輪水推力+轉(zhuǎn)輪重量+發(fā)電機(jī)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?jiān)O(shè)備部件重量為：轉(zhuǎn)輪重量1t，主軸重量0.6t，發(fā)電機(jī)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(biāo)，35號(hào)圓鋼和506焊條的抗拉強(qiáng)度：1，2級(jí)焊縫為265 MPa，3級(jí)焊縫為225MPa。規(guī)程規(guī)定，焊縫達(dá)到1，2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，不用驗(yàn)算。 4 焊接探傷檢測(cè) 為確保焊接質(zhì)量，對(duì)焊接部位進(jìn)行了超聲波探傷檢測(cè)。結(jié)果表明：焊接接頭質(zhì)量符合2級(jí)要求，焊接合格。 通過對(duì)主軸焊接部位的可靠性分析和焊接工藝檢測(cè)、檢查、計(jì)算，焊接強(qiáng)度符合國標(biāo)要求，滿足水輪機(jī)組自重和水壓力的要求，安全有保障。 5　運(yùn)行試驗(yàn) 該軸加工處理后投入運(yùn)行，是否符合原軸技術(shù)要求，重要的一點(diǎn)是看其運(yùn)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(yàn)：步，按照正常的安裝規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，單獨(dú)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與主軸安裝完畢，進(jìn)行人工盤車，用人工旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)主軸并用百分表測(cè)量擺度，發(fā)電機(jī)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(jī)主軸與水輪機(jī)主軸用螺絲緊固起來，開始進(jìn)行人工總盤車，用同樣的方法測(cè)量水輪機(jī)導(dǎo)軸承處的擺度，測(cè)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(dòng)水輪發(fā)電機(jī)組，空載運(yùn)行1h，測(cè)其主軸擺度0.1 mm，然后帶負(fù)荷20%、50%、75%、100%、125%分別在水輪機(jī)水導(dǎo)軸承處測(cè)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(jī)無振動(dòng)，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(yùn)行發(fā)電至今已1.5年，各項(xiàng)指標(biāo)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(hào)主軸需要連同轉(zhuǎn)子運(yùn)至廠家，包括運(yùn)輸費(fèi)在內(nèi)每條軸需資金15萬元。而在當(dāng)?shù)丶庸ば迯?fù)，每條軸實(shí)際費(fèi)用僅為0.75萬元(其中：材料費(fèi)300元，加工費(fèi)0.35萬元，運(yùn)輸安裝等費(fèi)用0.37萬元)，每條軸節(jié)約資金14.25萬元。 同時(shí)，由于節(jié)省了維修時(shí)間，提前發(fā)電，也增加了發(fā)電收入，降低了損失。該站1號(hào)發(fā)電機(jī)主軸斷裂時(shí)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(hào)主軸，工期至少2個(gè)月。而在當(dāng)?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(jì)算，可增加發(fā)電收入19.2萬元。上述2項(xiàng)合計(jì)創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益33.15萬元，效益非?？捎^。 7　結(jié) 語 該站ZD661-LH-120水輪機(jī)組主軸斷裂整體修復(fù)技術(shù)方案，重點(diǎn)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(dāng)?shù)匚鍡l件使用車床車削的問題。該方案投資少、工期短、簡(jiǎn)便易行、技術(shù)可靠，是解決電站發(fā)電機(jī)主軸及水輪機(jī)主軸斷裂問題的有效途徑。 參考文獻(xiàn) 鄭建興．淺析中小型水力機(jī)組運(yùn)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(jī)運(yùn)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(fèi)縣水利局