槳葉空心聯(lián)接螺栓內(nèi)置加熱工藝優(yōu)化

何亞文，羅紅祥，朱紅平，劉峰

槳葉空心聯(lián)接螺栓內(nèi)置加熱工藝優(yōu)化

何亞文，羅紅祥，朱紅平，劉峰

（近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127）

本文對近尾洲水電廠1號機(jī)組A修中槳葉空心聯(lián)接螺栓拆裝工藝過程、遇到的問題及解決辦法進(jìn)行了介紹，對空心螺栓內(nèi)置加熱工藝進(jìn)行了探討、研究及總結(jié)，積累的經(jīng)驗對同類型電廠具有參考意義。

近尾洲水電廠；燈泡貫流式機(jī)組；槳葉聯(lián)接螺栓；加熱棒；轉(zhuǎn)輪；空心螺栓內(nèi)置加熱預(yù)緊法

1　引言

近尾洲水電廠位于湘江中游，地處衡南、常寧、祁東、祁陽四縣交界處，距衡陽市公路75km，是湘江干流開發(fā)規(guī)劃中的第五級電站。近尾洲水電樞紐工程水庫總庫容4.6億m3，正常蓄水位66m，壩頂高程76m，安裝有3臺由奧地利制造的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)備由奧地利VA-MCE和ELIN公司聯(lián)合提供。單機(jī)容量為21.06MW，總裝機(jī)容量63.18MW，設(shè)計年發(fā)電量2.92億kW·h。首臺機(jī)2000年12月投產(chǎn)，2002年2月3臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。

2　結(jié)構(gòu)簡介

2.1轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)

近尾洲水電廠轉(zhuǎn)輪型號為3KR4/63。轉(zhuǎn)輪為4葉片的卡普蘭式轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪直徑為6.3m。主要由槳葉、轉(zhuǎn)輪體、漿葉樞軸、漿葉轉(zhuǎn)臂、漿葉雙聯(lián)板機(jī)構(gòu)、輪葉接力器、輪葉密封、泄水錐及泄水錐帽等部件組成。

槳葉與轉(zhuǎn)輪體間為雙支承結(jié)構(gòu)形式，每片槳葉與槳葉轉(zhuǎn)臂、槳葉樞軸通過6顆M90螺栓及2顆φ90圓柱銷釘聯(lián)接組成牢固整體，其螺栓主要承受拉應(yīng)力的作用、圓柱銷定位及傳遞扭矩及承受剪應(yīng)力。

2.2螺栓結(jié)構(gòu)特點

槳葉聯(lián)接螺栓采用50CrMo4V的高強(qiáng)度合金鋼鍛造、通過調(diào)質(zhì)熱處理后加工而成，為空心螺栓結(jié)構(gòu)形式、非標(biāo)產(chǎn)品。安裝時需采用空心內(nèi)置加熱法，將加熱棒塞入螺栓中心孔使螺栓快速受熱膨脹，使其產(chǎn)生與所連接部件的膨脹差，然后按預(yù)定角度旋緊螺栓頭部，通過專用測量桿上百分表測量冷態(tài)下前后螺栓長度值，差值即為伸長值，達(dá)到設(shè)計或計算值即可。其結(jié)構(gòu)形式和測量方式如圖1所示。

圖1　螺栓結(jié)構(gòu)及伸長量測量

槳葉聯(lián)接螺栓相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　槳葉聯(lián)接螺栓技術(shù)參數(shù)

3　裝置改進(jìn)及工藝優(yōu)化

在水輪發(fā)電機(jī)組的安裝和檢修工藝中，為保證聯(lián)接件的可靠性，螺栓的緊固力應(yīng)滿足設(shè)計值要求。螺栓緊固過程中，同一組合面各螺栓預(yù)緊力必須保持一致，并要對稱擰緊，避免機(jī)件歪斜和螺栓受力不均[1]。

3.1存在的問題

目前在水輪發(fā)電機(jī)組大件螺栓的緊固方式中，主要采用冷緊固和熱緊固兩種方式。冷緊固主要有液壓拉伸器緊固、力矩扳手緊固；熱緊固主要有火焰加熱、電加熱方式。熱緊固相對冷緊固而言，操作相對復(fù)雜，操作時如果溫度過高可能導(dǎo)致螺栓發(fā)生退火反應(yīng)，降低螺栓強(qiáng)度。因而空心內(nèi)置加熱法需做好前期準(zhǔn)備工作、嚴(yán)格工藝過程，避免操作失誤。通過對同類電廠槳葉聯(lián)接螺栓拆卸工藝的了解，拆卸過程常存在一些問題：拆卸時螺栓出現(xiàn)咬死現(xiàn)象，螺栓無法拆卸，為避免損壞螺孔，不得采取氣刨螺栓頭部，爾后在工廠將斷死取出的方式；部分螺栓加熱溫度過高，加熱溫度需達(dá)到600℃以上將螺栓拆卸；加熱棒常出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。

近尾洲電廠2012年10月將開展1號機(jī)組A級檢修工作，根據(jù)計劃對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行解體檢查，因而需對槳葉聯(lián)接螺栓進(jìn)行拆卸。槳葉聯(lián)接螺栓為非標(biāo)螺栓，螺栓數(shù)量多，而且價值昂貴。如果拆裝不當(dāng)，導(dǎo)致螺栓絲扣損壞，不僅會延長檢修工期，而且會增加檢修成本。

3.2裝置及工具優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1問題研究及分析

為確保螺栓拆卸工藝合理、對同類型電廠的螺栓加熱工藝過程、加熱裝置結(jié)構(gòu)，近尾洲電廠外方遺留加熱棒進(jìn)行深入研究，對拆卸過程存在的問題進(jìn)行探討，得出如下分析結(jié)論：

（1）加熱棒加熱區(qū)不合理，加熱區(qū)延伸至螺孔區(qū)域，對螺紋部分進(jìn)行了加熱，將導(dǎo)致螺紋咬死。加熱時加熱棒加熱區(qū)處于螺紋配合區(qū)間，而螺孔處于轉(zhuǎn)臂上，轉(zhuǎn)臂體積龐大及金屬的導(dǎo)熱性好等因素將導(dǎo)致螺孔上熱量迅速消散，導(dǎo)致螺栓螺紋部分受熱徑向和軸向膨脹而螺孔未發(fā)生膨脹，導(dǎo)致咬絲發(fā)生。

（2）螺栓加熱溫度過高，將導(dǎo)致螺栓強(qiáng)度降低。合金鋼50CrMo4v調(diào)質(zhì)時高溫回火溫度為590±10℃，如螺栓加熱溫度超過其回火溫度，金屬組織發(fā)生退火，螺栓硬度降低及材料軟化。

3.2.2加熱棒優(yōu)化改進(jìn)

（1）加熱棒加熱區(qū)優(yōu)化

為避免加熱棒加熱區(qū)部分對螺紋進(jìn)行加熱，將加熱部分控制在中間光桿部分，將加熱區(qū)由原來長250mm調(diào)整為200mm。并對螺栓伸長量進(jìn)行復(fù)核。

加熱時伸長值計算公式：

△L=（T1-T2）×l×f（1）

式中△L：加熱時伸長值，單位mm；T1：螺栓加熱溫度，296℃；T2：室溫，取20℃；l：加熱區(qū)長度，取200mm；f：螺栓熱膨脹系數(shù)，合金鋼材料一般取0.0000131/℃。

計算得伸長值△L=0.72mm>0.66±0.05mm。

由于熱傳遞作用，螺栓非加區(qū)亦有一定量膨脹，實際加熱時伸長值應(yīng)大于0.72mm。因而加熱區(qū)調(diào)整為200mm可達(dá)到預(yù)期的伸長值。

螺栓結(jié)構(gòu)圖及優(yōu)化前后的加熱區(qū)域如圖2所示。

圖2　螺栓結(jié)構(gòu)圖及優(yōu)化后的加熱區(qū)域

（2）加熱棒外徑改進(jìn)

實測原外方制作加熱棒直徑為25.75～25.80mm；外方提供螺栓圖紙技術(shù)要求為中心加熱孔孔徑為26±0.2mm，同時需保證所有螺栓中心孔徑偏差小于0.05mm。由于加熱棒為細(xì)長桿，加熱時溫度升高或放置方式等原因均可能導(dǎo)致其加熱棒變形，如螺栓生產(chǎn)廠家對螺栓中心孔按下偏差控制，加熱棒一旦發(fā)生輕微變形將無法放入孔中。因而將加熱棒外徑尺寸改為25.6±0.05mm。

4　螺栓安裝工藝

4.1安裝準(zhǔn)備

安全前確認(rèn)螺栓檢修工藝到位，將所有螺栓的初始值進(jìn)行測量，并進(jìn)行記錄；測量時必須檢查測量桿上百分表安裝牢固無松動、并用一顆備品螺栓做校驗。在測量螺栓初始間距值前，將測量桿放入備品螺栓中心孔中測量其間距值，并記錄。所有螺栓初始間距值測量完畢后，再測備品螺栓，確認(rèn)百分表無松動。

4.2工藝確定

為達(dá)到預(yù)期的加熱目的，采用轉(zhuǎn)角法控制，用測量外圓弦長的方式確定轉(zhuǎn)動角度，用測量冷態(tài)螺栓伸長值控制預(yù)緊力。

螺栓轉(zhuǎn)角按下式計算：

式中Φ—螺母轉(zhuǎn)角，°；P—螺紋螺距，取3mm；△L—螺栓的計算伸長值，mm。

將角度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)圓周上的弦長：

式中S—弦長，mm；

R—外圓半徑，88mm

簡化公式得：

4.3螺栓安裝

（1）槳葉已安裝就位，對槳葉根部用銅棒進(jìn)行錘擊，盡量消除法蘭面間隙；

（2）加熱時，應(yīng)先對稱加熱兩邊螺栓，后加熱中間螺栓，測量螺孔內(nèi)法蘭間隙，并做好記錄，螺孔內(nèi)涂上BostikNeverseez螺紋防卡劑；

（3）穿入兩側(cè)螺栓，用大錘和扳手輕微打緊，用專用測量桿復(fù)測間距值；

（4）確定弦長。伸長值=螺栓設(shè)計伸長值+法蘭面間隙值，一般取法蘭面間隙的平均值，根據(jù)伸長值查得弦長。用圓規(guī)在鋼板尺上截取弦長，在槳葉螺孔外圓上做好標(biāo)記；

（5）將加熱控制裝置超溫報警保護(hù)設(shè)置為560℃，控制溫度設(shè)定為530℃，并在加熱棒上均勻涂抹一層BostikNeverseez螺紋防卡劑，將加熱棒插入螺栓中心孔中；

（6）加熱緊固第一組螺栓1號和6號，加熱完畢后，繼續(xù)加熱緊固第二組螺栓3號和4號，待螺栓完全冷卻后測量冷態(tài)下的螺栓緊固間距值，計算出螺栓伸長值應(yīng)為設(shè)計伸長值，如存在差異，應(yīng)根據(jù)偏差重新加熱調(diào)整至合格值；

（7）測量中間處螺孔法蘭面間隙，應(yīng)用0.02mm無法完全通過；

（8）加熱第3組螺栓2號和5號，待螺栓完全冷卻后測量冷態(tài)下的螺栓緊固間距值，計算螺栓凈伸長值應(yīng)為設(shè)計伸長值，如存在差異，應(yīng)根據(jù)偏差按表3進(jìn)行重新加熱調(diào)整至合格值；

（9）部分槳葉安裝數(shù)據(jù)記錄如表2。

4.4經(jīng)驗總結(jié)及工藝優(yōu)化

螺栓安裝時，伸長值的確定是最大的難點。由于螺栓螺紋制造精度、法蘭面受力變形、法蘭面間隙的影響，在安裝過程中，根據(jù)按理論值進(jìn)行計算得出的弦長S無法一次性達(dá)到安裝要求，與實際偏差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致安裝時反復(fù)進(jìn)行螺栓的加熱。第一片槳葉安裝時間長達(dá)3d。經(jīng)過多次加熱過程的數(shù)據(jù)測量分析，得出弦長經(jīng)驗值：當(dāng)間隙在0.05mm以內(nèi)時，加熱兩側(cè)螺栓時弦長均取140mm，加熱中部螺栓時弦長均取137mm；如間隙超過0.05mm，則弦長需增加間隙部分的值。采用根據(jù)得出的經(jīng)驗值對安裝方式進(jìn)行了改進(jìn)，安裝效率得到提升，1d即可完成了2片槳葉的安裝工量作，且基本上一步安裝到位。

螺栓間距測量時應(yīng)加強(qiáng)對測量桿上百分表的保護(hù)，每次測量完畢后用備用螺栓對測量桿百分表進(jìn)行校對，避免誤動表計而導(dǎo)致安裝時數(shù)據(jù)失真。

表2　槳葉螺栓安裝測量記錄

5　結(jié)束語

通過對槳葉空心聯(lián)接螺栓內(nèi)置加熱工藝的探討、研究及總結(jié)，對相關(guān)工藝流程、工具進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提升了工作效率，保證了槳葉聯(lián)接的牢固可靠性、螺栓強(qiáng)度安全性及操作工藝便捷性，為以后其他機(jī)組的檢修提供了重要的參考和理論依據(jù)。

[1]盛國林，勝國林，葉青.水輪發(fā)電機(jī)組安裝與檢修[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]鄧東，戴峰，種自祿.飛來峽水電站水輪機(jī)輪葉連接螺栓拆裝工藝[J].大電機(jī)技術(shù)，2007（04）：49-52.

TV738

B

1672-5387（2016）08-0097-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.030

2016-06-29

何亞文（1982-），男，工程師，從事水電廠生產(chǎn)技術(shù)及安全生產(chǎn)管理工作。