鑲套修復(fù)法在水電站的應(yīng)用及工藝分析

劉加將 范小波 袁 東

（四川華能巴塘水電有限公司）

鑲套修復(fù)法在水電站的應(yīng)用及工藝分析

劉加將 范小波 袁 東

（四川華能巴塘水電有限公司）

鑲套法，即通過在軸或孔中鑲一個(gè)套環(huán)，對(duì)已磨損的孔軸配合關(guān)系進(jìn)行校正修復(fù)的方法。此方法最先應(yīng)用于修理行業(yè)，并得到了較好的效果論證。在水輪機(jī)中，由于磨損等原因易造成零部件軸孔位置的材料損失，進(jìn)而造成零部件損壞。我們?nèi)绾斡描偺追▽p壞的零部件修復(fù)成合格品呢？在本文用加工實(shí)例對(duì)該問題進(jìn)行了淺略的分析。

水輪機(jī)；零部件；鑲套；工藝

1 前言

在水電站中，水輪機(jī)零部件因磨損等原因易造成尺寸偏差，而這些尺寸偏差的零部件中由于沒有加工余量，故無法用簡(jiǎn)單的加工方法修復(fù)。對(duì)于一些簡(jiǎn)單價(jià)值不大的零部件，我們通常將之作報(bào)廢處理，而對(duì)于一些價(jià)格不菲的貴重零部件，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用效果的前提下，我們則可借鑒修理行業(yè)中的鑲套法，完成對(duì)零部件的修復(fù)，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。鑲套法對(duì)零部件母材要求不高，能較好適用于焊接性能不高的母材中。水輪機(jī)由于重量高、體積大，若不能有良好的鑲套工藝，可能導(dǎo)致鑲套開裂、脫落等情況發(fā)生。電力行業(yè)涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈，在水輪機(jī)中使用鑲套技術(shù)必須保證水輪機(jī)的運(yùn)行安全。

2 案例分析

四川某水電站在機(jī)組檢修過程中發(fā)現(xiàn)，水輪機(jī)漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔處疑似有裂紋，最終經(jīng)UT、PT探傷后確認(rèn)為貫穿性裂紋。通過分析發(fā)現(xiàn)，該漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔因擴(kuò)孔等原因?qū)ζ溥M(jìn)行了鑲套處理，因處理過的螺紋孔的焊接部位是螺紋孔受力的最薄弱部位，在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中其鑲套的焊接部位由于交變應(yīng)力等影響，發(fā)生疲勞損壞，產(chǎn)生了裂紋。通過進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該螺孔采用的是直筒式鑲套，鑲套兩端采用的封蓋封焊，故葉片對(duì)漿葉轉(zhuǎn)臂的作用力主要集中在漿葉兩端焊縫上，從而必然會(huì)導(dǎo)致漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中因應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，是一起典型的因鑲套工藝欠佳造成的設(shè)備缺陷。下面就該電站水輪機(jī)漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔裂紋處理方法來闡述鑲套修復(fù)法的工藝要求及注意事項(xiàng)。

圖1 漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔探傷情況

3 材料選擇

漿葉轉(zhuǎn)臂材料為35CrMo（合金調(diào)質(zhì)鋼），其碳當(dāng)量值Ceq=0.72%，該材料的硬傾向較大，熱影響區(qū)熱裂和冷裂的可能性較大，在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接時(shí)熱影響區(qū)的冷裂傾向?qū)?huì)很突出，其可焊性差，故而同樣采取鑲套修復(fù)法。根據(jù)漿葉轉(zhuǎn)臂材質(zhì)，鑲套材質(zhì)選擇45號(hào)鋼，該鋼材冷塑性一般，退火、正火比調(diào)質(zhì)時(shí)要稍好，具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過案例分析中可以看出，造成漿葉轉(zhuǎn)臂螺孔開裂的主要原因?yàn)槁菟ㄗ饔昧性诤缚p上造成。為避免該情況發(fā)生，可在鑲套處增加臺(tái)階面，當(dāng)鑲套承受螺栓軸向拉力時(shí)，鑲套臺(tái)階可將該作用力分散到漿葉轉(zhuǎn)臂上，從而避免焊縫應(yīng)力集中。根據(jù)漿葉轉(zhuǎn)臂尺寸，確定鑲套總高度為128mm，通過45號(hào)鋼力學(xué)性能，初步設(shè)計(jì)鑲套臺(tái)階高度為 15mm，通過螺栓尺寸確定鑲套外徑為 125mm，由漿葉轉(zhuǎn)臂表面精度確定鑲套端面精度為Ra2.5。鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂為孔軸配合關(guān)系，為使鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂配合緊密，可考慮 0.05-0.08mm的過盈配合量，鑲套通過冷凍工藝裝配。為增加鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂之間的摩擦力并結(jié)合加工難易程度，鑲套表面精度確定為Ra7.5。

圖2 鑲套結(jié)構(gòu)圖

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的鑲套是否能夠滿足水輪機(jī)力學(xué)要求，需要對(duì)鑲套進(jìn)行強(qiáng)度分析。假設(shè)鑲套通過冷凍工藝裝配在漿葉轉(zhuǎn)臂上并兩端封焊，在螺栓(螺紋M90*4)拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生變形及應(yīng)力。根據(jù)水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及主要零部件重量，預(yù)估螺栓預(yù)緊力為500KN。計(jì)算模型采用10 節(jié)點(diǎn)四面體單元sold187，用Nx Nasran.design軟件求解。由鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂的配合方式可知模型的邊界條件，鑲套的法蘭端面為固定約束，外圓為徑向約束。

根據(jù)鑲套模型，計(jì)算出鑲套最大變形量為0.0526mm，考慮到鑲套兩端最終將封焊，實(shí)際變形量將小于此值，鑲套變形量設(shè)計(jì)滿足水輪機(jī)力學(xué)要求。根據(jù)鑲套模型，計(jì)算出鑲套最大應(yīng)力為224.18MPa，在未考慮鑲套兩端封焊的及鑲套的緊量的情況下，鑲套的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于45號(hào)鋼的許用應(yīng)力600MPa，鑲套力學(xué)強(qiáng)度滿足水輪機(jī)力學(xué)要求。

由于鑲套結(jié)構(gòu)的改變，需要在漿葉轉(zhuǎn)臂上增加高度為 15mm的臺(tái)階以便于鑲套的裝配。

5 裝配工藝

鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂過盈量為0.05-0.08mm，可以將鑲套用冷凍工藝進(jìn)行裝配，裝配完成后必須保證鑲套與漿葉轉(zhuǎn)臂的平整度。鑲套兩端焊縫為保證強(qiáng)度必須采用開坡口的方法進(jìn)行封焊，不能采用封蓋堆焊的方式封焊。根據(jù)金屬材質(zhì)，焊接選擇J507焊料，將漿葉轉(zhuǎn)臂及鑲套加熱后用氬弧焊焊接（有一段焊縫在密封槽內(nèi)，需要在車床上加工），焊接完成后進(jìn)行打磨。當(dāng)焊接工作完成后，清理干凈鑲套兩端焊縫，對(duì)焊縫進(jìn)行UT、PT探傷，探傷合格后加工螺紋。

6 結(jié)束語

機(jī)械設(shè)備修復(fù)沒有一種十全十美的方法，修復(fù)方法應(yīng)該綜合考慮設(shè)備安全性、修復(fù)費(fèi)用、修復(fù)時(shí)間等。水電站涉及電網(wǎng)安全，關(guān)系國(guó)家經(jīng)濟(jì)命脈，設(shè)備安全性應(yīng)當(dāng)是選擇修復(fù)方法的第一要素。鑲套修復(fù)法雖然工藝較為復(fù)雜，但是在采取適當(dāng)?shù)拇胧┘昂侠淼墓に嚵鞒毯竽軌蛴行ПＷC設(shè)備的安全，必將在水電站設(shè)備修復(fù)中占有重要地位。

[1]曹宏生.鑲套修復(fù)法在加工修護(hù)中的應(yīng)用.汽車零部件.2010

[2]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸（CB/T985-2008）.2008

[3]中國(guó)華能集團(tuán)公司.水力發(fā)電廠金屬監(jiān)督技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(Q/HB-J-08.L19-2009).2009

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1007-6344（2016）10-0263-01

劉加將，范小波，袁東，助理工程師，現(xiàn)工作于四川華能巴塘水電有限公司，公司所在地為四川成都，郵政編碼為610041。