廣州抽水蓄能電廠A廠導葉加工工藝簡析

王 慷，劉功亮，羅 杰

（南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

0 引文

廣蓄A廠1號及3號機組自投入運行至本輪大修時已經分別運行21年及22年，根據檢修規劃，在 2014年10月至2015年2月、2016年 9月至2017年1月間分別對1號機組及3號機組進行了第二輪大修。此次大修過程中發現導葉軸頸存在偏磨及偏心，導葉端面及兩端圓面與上下抗磨板磨損導致導葉端面及兩端圓面損傷。大修過程中，決定對導葉軸頸進行車圓，導葉端面補焊后車削。因此將補焊后導葉送至廣船大型機械設備有限公司進行加工。導葉示意圖見圖1。

圖1 導葉示意圖

1 導葉及軸套基本情況

廣蓄A廠導葉轉角范圍為0～26.6°，相應開度范圍為0～268 mm，導葉的拆卸采用下拆方法，即拆除底環后，將導葉落至蝸殼層吊出。導葉上軸套及中軸套共用一個套筒，上軸套及中軸套分別在套筒兩端，下軸套有獨立的下套筒，軸套與套筒均采用過盈配合。主要尺寸和材料如表1：

表1 導葉及軸套主要尺寸

2 導葉損傷情況及原因分析

導葉加工前，對導葉整體情況進行檢查，主要存在損傷有：①導葉軸頸偏磨；②導葉上下端面刮傷；③葉片兩端圓面刮傷。導葉在加工過程中，定導葉中心時發現導葉軸存在不同程度的扭曲偏折。

2.1 導葉軸頸偏磨

導葉軸頸偏磨的主要原因有兩點：①導葉上中下軸套不同心；②導葉啟閉時徑向水推力；③軸套脫層后單邊擠壓。

導葉三個軸套不同心時，導葉三個軸頸在圓周上間隙不均勻。當上中下軸套中的兩個軸套的偏心量大于等于導葉與軸套間隙時，導葉軸處于憋勁狀態，即導葉兩個軸頸上有一段分別貼緊兩個對應軸套上的對應位置（兩個貼緊位置法線角度在90°～180°之間）。導葉啟閉時，軸頸與軸套貼緊位置磨損加劇，而軸套磨損位置相反方向則無磨損，長期作用下導葉軸套及軸頸因磨損不均勻而出現偏磨。此外，導葉軸在長期受力作用下會以兩個軸套貼緊位置為支點出現導葉軸線扭曲偏折。

導葉在關閉狀態時葉片蝸殼測水壓為5.5 MPa左右，水輪機側水壓為0.7 MPa。導葉在水壓作用下向水輪機方向靠攏。導致軸頸貼緊軸套，且受到擠壓壓力，導葉啟閉時，貼緊位置出現磨損。

廣蓄A廠4臺機組使用TLMM及TXMM尼龍材料軸套，該軸套存在吸水膨脹且容易松散脫層的缺陷。軸套松散脫層后，脫出的尼龍材料與軸頸互相擠壓，導致啟閉時擠壓位置磨損。

2.2 導葉端面刮傷

導葉端面刮傷是導水機構常見的故障之一，導葉端面刮傷主要由端面夾渣及止推間隙過小導致。

廣蓄A廠水輪機導葉及抗磨板分別采用法國牌號 Z5CN1204（00Cr12Ni4）及 Z10C13（1 Cr13）馬氏體不銹鋼材料。馬氏體不銹鋼有高強度、高硬度、韌性強等特征，但耐腐蝕性較差。機組運行時，導葉與抗磨板之間會有細小砂石夾雜，導葉啟閉時導葉及抗磨板端面會出現刮傷。由于不銹鋼材料韌性好的特征，刮出的不銹鋼材料不會折斷，在導葉不斷啟閉過程中，刮傷區域不斷擴大。

機組運行過程中導葉受到軸向水推力的作用，導葉有向上竄動的趨勢。止推環磨損后止推間隙大于上端面間隙時，導葉上端面與抗磨板貼緊導致刮傷。刮傷位置由于不銹鋼夾雜，將導葉向未刮傷端面擠壓，從而導致上下端面同時出現刮傷。

2.3 葉片兩端圓面刮傷

與軸頸偏磨同理，葉片在蝸殼側水壓力作用下擠向水輪機側，葉片圓面與抗磨板導葉孔貼緊，導葉啟閉過程中導致刮傷。1號、3號機組大修中對40個導葉葉片圓面進行檢查，都是靠近水輪機側圓面出現大面積刮傷。

3 導葉損傷位置補焊

導葉端面與葉片兩端圓面采用相同的焊接工藝，使用φ2.0 mm的ER410NiMo不銹鋼焊絲進行氬弧焊。焊接前對磨損位置進行打磨處理，將刮傷、氣蝕導致的損傷區域打磨掉露出母材。

焊接時使用對稱焊法避免局部溫度過高導致應力集中及焊接變形。如圖2所示為導葉大頭端面焊接順序示意圖，焊接順序為1-2-3-4-5-6，按照此順序逐步向中間靠攏。焊接時使用測溫槍測量距離焊點30 mm處的溫度，當母材溫度高于100℃時停止焊接，冷卻后方可繼續進行。焊接方法及要求見表2。

表2 導葉焊接其他要求

第一層堆焊后，如果導葉高度及圓面直徑不能達到要求數據，則在第一層堆焊層冷卻至常溫后再堆焊第二層，直至導葉端面及圓面有足夠加工余量。

4 導葉補焊后車削

導葉車削加工前定中心時，檢查發現導葉軸存在不同程度的扭曲及偏折。導葉的扭曲及偏折分為兩段，上軸頸與中軸頸之間為第一段，中軸頸與下軸頸之間為第二段，20個導葉兩段的扭曲偏折方向均不相同，在360°圓周方向隨意分布。導葉扭曲偏折的原因與軸頸偏磨原因相同，在軸套不同心、水推力及軸套脫層擠壓的共同作用下，導葉依據受力情況的不同呈現不同方向不同程度的扭曲偏折。

由于導葉扭曲偏折，軸頸車削時需要重新定導葉中心，常用的定中心方法有一點對中和兩點對中兩種。一點對中以導葉上軸頸上方50 mm處未磨損點作為基準點，調整卡盤使導葉旋轉時該位置百分表讀數不變，即認為導葉旋轉中心與導葉中心重合，以此中心對導葉其余位置進行車削即可。

兩點對中相較一點對中要更加復雜，即采用上軸頸上方50 mm處和下軸頸下方未磨損位置兩點進行對中。方法為調整卡盤及打磨尾座頂針支撐位置滿足上述兩點在導葉旋轉時讀數均不變。以上述兩點的中心的連線作為導葉中心線及車床旋轉中心線。由于存在軸頸偏磨及偏折，上下兩點不能完全對中，可以采用打磨導葉尾座頂針孔進行調整，要求上軸頸上方50 mm處和下軸頸下方未磨損位置旋轉時百分表讀數盡可能小，不超過0.05 mm。

一點對中與兩點對中相比，一點對中更加快捷方便，上軸頸的車削量可以控制到最小，但是中軸頸及下軸頸車削量較大，尤其是下軸頸存在較大的過車量；兩點對中調整起來更加困難，采用兩點對中上軸頸及下軸頸的車削量可以得到有效控制，下軸頸車削量較小，但由于不能完全對零，上軸頸車削量略大于一點對中；由于避免了導葉夾持傾斜，中軸頸的車削量略小于一點對中。

加工中，廣蓄1號機組導葉加工采用了一點對中，3號機組導葉加工采用兩點對中，兩臺機組導葉車削前對中數據及車削量數據見表3：? 由于車削前個別導葉存在嚴重偏磨及刮傷，不具有代表性，故剔除車削量差值0.15 mm以上的采樣點。結合表3數據分析可以得出，1號機組及3號機組上軸頸車削量基本相同，1號機略小于3號機；中軸頸車削量相同，綜合20個導葉分析后車削量均值相同；下軸頸車削量1號機組略小于3號機，但由于檢修前3號機組測量下軸頸偏磨比1號機組嚴重，3號機下軸頸車削量相較1號機得到了更好的控制。

表3 1號機及3號機導葉軸頸車削量對比 單位：mm

軸頸車削時，由于軸頸在密封位置磨損量較大及個別位置偏磨嚴重，軸頸整個車圓時車削量超過或接近軸套加工裕量（軸套內徑加工裕量0.50 mm），因此車削時在軸頸圓周方向超過2/3的位置車圓或者軸頸上存在寬度超過100 mm的完整圓面時，該軸頸加工合格。

導葉軸頸車削完成后進行導葉端面補焊區域車削，車削時為了避免導葉葉片離心力引起的導葉變形，車床回轉速度控制在60 r/min以下，車削時從大頭外緣開始進刀，逐步車削到葉片根部。為了保證補焊區域和未補焊區域平整度達到要求，車削時對整個面進行車削，未補焊位置車削量控制在0.02 mm以內，避免車削過多導致導葉高度不足。

5 結語

本文對廣蓄1號及3號機組導葉加工進行了分析研究，依據馬氏體不銹鋼的特性，制定了導葉端面及圓面的焊接方法，同時加工發現并判斷出導葉軸頸的中心線呈折線狀且測量出導葉偏心量，確保了導葉加工精度，這一方法可推廣至其他同類型導葉和類似導葉乃至長軸型部（零）件軸線偏心的判斷及測量。同時，導葉軸頸車削的方法可對后續機組部件的加工有借鑒和指導意義。

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