百萬千瓦級超超臨界汽輪機(jī)低壓缸加工技術(shù)的探討*

王 標(biāo)

1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240 2. 上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠 上海 200240

百萬千瓦級超超臨界汽輪機(jī)低壓缸加工技術(shù)的探討*

王 標(biāo)1,2

1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200240 2. 上海電氣電站設(shè)備有限公司 上海汽輪機(jī)廠 上海 200240

1000MW超超臨界汽輪機(jī)組低壓缸尺寸龐大，加工技術(shù)要求高。經(jīng)過一系列工藝分析，確定了加工工藝方案，可保證低壓缸表面粗糙度和中分面螺孔定位精度要求，也能控制加工變形，滿足圖紙要求，提高了加工效率，降低了加工成本，確保了加工進(jìn)度。所確定的加工工藝方案為同類結(jié)構(gòu)低壓缸國產(chǎn)化制造提供了借鑒參考。

超超臨界汽輪機(jī)； 低壓缸； 數(shù)控加工

1000MW超超臨界汽輪機(jī)是當(dāng)今汽輪機(jī)發(fā)展的最高水平，也是我國發(fā)電設(shè)備的發(fā)展方向。該機(jī)組低壓缸的技術(shù)和加工質(zhì)量要求都很高，零件尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要大型數(shù)控加工設(shè)備來加工。玉環(huán)1000MW汽輪機(jī)組低壓部分由低壓內(nèi)缸和低壓外缸構(gòu)成，低壓內(nèi)缸為上下半對稱雙流結(jié)構(gòu)，低壓外缸由汽缸前端板、后端板、側(cè)板及低壓外缸上半等部分組成。低壓缸(圖1)外形尺寸龐大，加工有一定困難[1]。

1 低壓內(nèi)缸工藝難點(diǎn)分析與方案確定

1.1 低壓內(nèi)缸增加粗車拼缸引導(dǎo)銷

玉環(huán)機(jī)組低壓內(nèi)缸外形尺寸龐大，上半體積為

圖1 1000MW超超臨界汽輪機(jī)組低壓缸結(jié)構(gòu)圖

6890mm×4777.5mm×3800mm，下半體積為6890mm×6470mm×3285mm，拼合后體積為6890mm×6470mm×7085mm，上半毛胚質(zhì)量為53900kg，下半毛胚質(zhì)量為68860kg，拼合后毛胚質(zhì)量為122617kg，如圖2所示。龐大的外形，沉重的質(zhì)量，再加上立車粗加工前拼缸時(shí)中分面連接孔尚未加工，造成立車粗加工前拼缸困難。此外，由于汽缸外形龐大，拼缸時(shí)稍有不準(zhǔn)就會造成較大偏差，影響汽缸的精加工[2]。為了解決以上問題，根據(jù)以往加工經(jīng)驗(yàn)，提出粗加工時(shí)在汽缸上、下半中分面的四個(gè)角上需要精加工大螺孔處先預(yù)鉆四個(gè)比螺孔直徑小得多的引導(dǎo)螺栓孔，立車粗加工前拼缸時(shí)，利用這四個(gè)引導(dǎo)螺栓孔引導(dǎo)上缸拼至下缸。利用增加粗車拼缸引導(dǎo)銷的方法，一方面可以提高拼缸的精度(由于四個(gè)引導(dǎo)孔都是按照精加工的位置加工的，所以粗精加工兩次拼缸的狀態(tài)是一樣的，從而減小了兩次拼缸的誤差)，另一方面可以減輕操作工人在拼缸時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度(如果沒有引導(dǎo)銷，拼缸時(shí)往往要移動(dòng)多次才能移到理想位置，增加引導(dǎo)銷后，通常一次拼缸就能成功)[3]。

圖2 立車粗加工內(nèi)圓安裝

1.2 低壓內(nèi)缸以銑代車粗加工內(nèi)圓

由于玉環(huán)機(jī)組低壓內(nèi)缸外形尺寸龐大，整個(gè)汽缸又為焊接件，因此考慮到可能引起的形變，加工余量放得較大。加工余量最大處可達(dá)120mm左右，并且與端面距離較遠(yuǎn)，不利于用立車加工。因?yàn)?m單臂立車的主軸比較小，加之是二手機(jī)床，所以粗加工兩缸的內(nèi)圓比較困難。經(jīng)綜合工藝分析后，決定既需立車加工又需數(shù)控鏜床粗銑的內(nèi)圓，全部粗加工均在數(shù)控鏜銑床上粗銑。以銑代車的工藝方法有兩大優(yōu)點(diǎn)。第一，提高加工效率。立車加工是單刀片切削，切削量不能太大，這樣就限制了立車的加工速度，并且單臂 8m 立車的主軸無法伸太長，伸得越長，主軸剛性就越差，易引起主軸抖動(dòng)，影響加工質(zhì)量，進(jìn)而影響加工速度。而數(shù)控鏜銑床用銑刀銑內(nèi)圓時(shí)，利用附件加工，附件剛性好，且切削時(shí)刀盤圓周上的十多把刀片同時(shí)參與切削，切削快且量大。第二，操作方便。立車粗加工時(shí)要將汽缸豎立起，但該汽缸很高，豎直高度達(dá)6890mm，需要在汽缸內(nèi)腔安裝搭子才能進(jìn)行測量、對刀、換刀等操作，十分不方便且不安全。以銑代車后，汽缸加工時(shí)分開平放在數(shù)控鏜銑床上，操作、測量等非常方便且安全[4]。

1.3 低壓內(nèi)缸中分面大直徑平底螺紋孔的加工

低壓內(nèi)缸中分面大直徑螺孔采用德國標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，特點(diǎn)是螺孔底部為平底，且尺寸有一定要求。西門子公司加工時(shí)采用山特維克公司鑲齒擴(kuò)孔鉆進(jìn)行擴(kuò)孔成形，但這種擴(kuò)孔鉆價(jià)格昂貴。為降低加工成本，經(jīng)技術(shù)分析后，決定采用在數(shù)控機(jī)床上用小鍵槽銑刀行星銑削的方式來加工螺孔底部平面[5-7]。對于M140×6、M80×6和M72×6大直徑螺紋，在數(shù)控鏜銑床上利用三軸聯(lián)動(dòng)行星銑削方式加工，實(shí)際加工后效果理想，具體措施如下。

圖3 低壓內(nèi)缸中分面螺孔示意圖

(1) 編制螺紋銑削程序，擴(kuò)大機(jī)床功能。數(shù)控鏜銑床由于軟件功能的缺陷，沒有銑削螺紋的功能，為了解決該難題，編制了螺紋銑削子程序：

%SPF 522

N5 R71=R1/2 R72=R9*2 R73=R71-R72

N10 R54=R1-R72 R55=R54/2 R57=R2-R3 R58=0 R300=R9/2

N15 G Z=R3

N20 G01 G41 G91 X=R73

N25 G03 X=-R54 Y0 Z=R300 I=-R55 J0

N30 G03 X0 Y0 Z=R9 I=R71 J0

N35 R58=R58+ R9

N40 @123 R57 R58 K50

N45 @100 K-30

N50 G0 G40 X=R71

N55 G90 Z=R10

M17

該套程序經(jīng)過多次測試，最終達(dá)到理想效果,其適用性廣,特別適合各種大螺紋、大螺距的加工。

(2) 設(shè)計(jì)專用刀具。銑螺紋需要用到專用三角刀片，專用刀片的幾何尺寸需要考慮銑削時(shí)刀片對銑削面的干涉及所配用的專用刀排。銑刀排直徑盡可能選大些，以便提高螺紋銑刀排的剛性及增強(qiáng)加工的穩(wěn)定性。螺紋銑削刀具如圖4所示。

圖4 螺紋銑削刀具

利用數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，對螺紋進(jìn)行銑削加工，工作原理為： 螺紋銑刀通過數(shù)控程序控制，在自身旋轉(zhuǎn)的同時(shí)作空間螺旋運(yùn)動(dòng)，在空間形成的軌跡輪廓面與螺紋的螺旋面重合，從而銑削出完整的螺紋。在螺紋銑削時(shí)，為了避免排屑的影響，螺紋銑刀從最底部開始進(jìn)行螺紋銑削，直至頂部結(jié)束[8]，如圖5所示。

圖5 螺紋銑削示意圖

(3) 實(shí)施低壓內(nèi)缸螺紋銑削工藝。低壓內(nèi)缸在數(shù)控鏜床加工螺紋前，先應(yīng)用鉆床鉆孔快的特點(diǎn)，由搖臂鉆床預(yù)鉆各孔，單面放5mm余量，深度在原螺孔深度的基礎(chǔ)上再加深15mm，最后由數(shù)控鏜床鏜去余量，達(dá)到各螺紋底徑的要求尺寸，并利用數(shù)控三軸聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)對螺紋進(jìn)行銑削，X軸、Y軸控制螺紋中徑，Z軸控制螺距。通過試銑削，調(diào)整好最佳刀尖直徑偏置值，并控制好切削參數(shù)的匹配[9]。

銑削M140×6大螺紋的主程序如下：

N5 G16 X Y W

G G90 G54 W Z50 D1 S1000 F1200 M3R1=140 R2=-140 R3=-420 R9=6 R10=50 R11=3 R13=522

L50

GG50M5

M30

主程序中，D1為刀具補(bǔ)償，R1為直徑，R9為螺距，R10為退刀點(diǎn)，R11為第幾軸。

1.4 低壓內(nèi)缸內(nèi)圓處汽封槽加工

在玉環(huán)機(jī)組低壓內(nèi)缸內(nèi)腔端面附近，兩端各有8條2×2.5mm的汽封槽，如圖6所示。

圖6 低壓內(nèi)缸端部汽封槽

針對精加工內(nèi)部汽封槽、持環(huán)安裝腰帶、各直槽等，設(shè)計(jì)各種割刀、汽封槽割刀、刀排、接長排等用于完成加工。針對內(nèi)部尺寸測量困難的問題，設(shè)計(jì)直槽卡板和3.5m直尺對加工尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。低壓內(nèi)缸在數(shù)控立車上完成內(nèi)部加工，如圖7所示。

圖7 低壓內(nèi)缸在數(shù)控立車上加工

1.5 精車低壓內(nèi)腔時(shí)直接鑲汽封齒并精加工汽封齒

在玉環(huán)機(jī)組低壓內(nèi)缸內(nèi)腔端面附近的8條2×2.5mm汽封槽內(nèi)均要鑲汽封齒，還要對汽封齒進(jìn)行精加工。常規(guī)加工工藝是： 在內(nèi)腔2×2.5mm 汽封槽加工好之后，汽缸吊下立車，拆開上下半，然后分別在上、下半2×2.5mm汽封槽內(nèi)鑲汽封齒，再拼合上、下半，在數(shù)控立車上進(jìn)行精加工[10]。由于此缸外形龐大且沉重，上車、下車、拆缸、拼缸都十分不方便，且要花較長時(shí)間，因此提出在精加工內(nèi)腔內(nèi)圓和2×2.5mm汽封槽，且在立車上鑲汽封齒后，立即精加工汽封齒的改進(jìn)方案。這方案存在一個(gè)缺點(diǎn)： 鑲汽封齒時(shí)，汽封齒在中分面的接合處可能會留下間隙，這條間隙比兩缸分開鑲大1～2mm。經(jīng)過向本體、葉片、車間技術(shù)組和車間鉗工多方咨詢和討論，認(rèn)為可以將此間隙控制在3mm以內(nèi)，對效率沒有影響。于是，在實(shí)際加工過程中采用了這一方案(圖8)。實(shí)施工藝方案，鑲汽封齒結(jié)束后，測量了汽封齒在中分面接合處的間隙，只有約 2mm，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。這一改進(jìn)方案有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，大大減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。如果拆開鑲汽封齒，將多一次拆缸和一次拼缸，汽缸多翻兩次身，多上兩次車，對于如此大且沉重的缸而言，這無疑有很大的勞動(dòng)量。第二，操作方便。拆開鑲汽封齒是在垂直方向上徑向鑲，汽缸內(nèi)壁為圓弧面，半徑比人高，因此操作極為不便，并且還要重新搭操作臺。不拆開在立車上直接鑲汽封齒，操作人員一邊鑲一邊可以在圓周方向上移動(dòng)，工作方便，且操作人員可以利用立車搭好的操作臺進(jìn)行操作，不需要重新搭操作臺。綜上所述，在精加工內(nèi)腔內(nèi)圓之后直接在立車上鑲汽封齒，然后精加工，這種方法簡單且能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 低壓內(nèi)缸徑向鑲汽封齒操作圖

1.6 低壓內(nèi)缸內(nèi)部中分面騎縫銷孔的加工

低壓內(nèi)缸內(nèi)部軸向平面靠近中分面處有8個(gè)騎縫銷孔，由于騎縫銷孔在內(nèi)側(cè)中分面上，上下半合缸后才能加工，因此加工很困難。針對這一問題，設(shè)計(jì)了專用工裝、定位座、接長鉆和鉸套，并用鉆模板保證孔的位置，用吸鐵鉆保證加工順利完成。所設(shè)計(jì)的專用工裝已申請國家發(fā)明專利，專利號： 200910201135.3。

2 低壓外缸工藝難點(diǎn)分析與方案確定

玉環(huán)機(jī)組低壓外缸外形尺寸龐大，前端板、后端板長均為 10800mm，高 4950mm，汽缸側(cè)板寬6700mm，高4950mm，低壓外缸上半長10800mm，寬7100mm，高4950mm，各部分加工完畢后運(yùn)至電廠進(jìn)行裝焊。此缸尺寸大，剛性差，加工中容易變形，中分面表面粗糙度難以保證。中分面上螺孔眾多，于是將汽缸放置在數(shù)控鏜銑床上加工，保證表面粗糙度和中分面螺孔定位精度，并且提高了加工效率。低壓外缸上半長10800mm，分電機(jī)端、調(diào)閥端和中部三個(gè)部分，總寬7100mm，電機(jī)端和調(diào)閥端中分面需要加工，加工后符合裝配要求，中部不必加工，電機(jī)端、調(diào)閥端和中部運(yùn)至電廠后再焊接拼合為一體。

玉環(huán)機(jī)組低壓外缸的加工難點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。第一，外形尺寸龐大，整個(gè)汽缸在加工階段無法拼合為一體進(jìn)行加工，需要肢解成汽缸前端板、后端板、側(cè)板、汽缸上半等部分，分別進(jìn)行加工，運(yùn)至電廠安裝現(xiàn)場后再進(jìn)行拼合。如此龐大的尺寸要求，機(jī)床的加工范圍較難達(dá)到工件最大加工尺寸范圍。第二，極易產(chǎn)生變形，汽缸前端板、后端板、側(cè)板、汽缸上半等部分均由鋼板焊接組成，由于鋼板較薄，大部分鋼板材料均采用Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，因此這些部件在起吊、裝夾、加工過程中極易產(chǎn)生變形。

針對以上加工難點(diǎn)，實(shí)施了相應(yīng)對策加以解決。第一，采用大型數(shù)控鏜銑床進(jìn)行加工，針對玉環(huán)機(jī)組低壓外缸外形尺寸龐大的特點(diǎn)，指定一臺大型數(shù)控鏜銑床加工此缸，該機(jī)床最大加工體積為24m×6m×1.5m，最大承載質(zhì)量為75t，工作臺面積為5m×11m，可滿足工件的外形尺寸要求。與此同時(shí)，應(yīng)用該數(shù)控機(jī)床加工還可以解決工件中分面孔定位難的問題。因?yàn)樵跈C(jī)床上對中分面進(jìn)行一次裝夾即可完成加工，可以有效避免因多次裝夾造成的校調(diào)困難、基準(zhǔn)不一致等影響加工精度的問題，保證了加工質(zhì)量。第二，優(yōu)化裝夾方案、增加校調(diào)基準(zhǔn)，反復(fù)校調(diào)，針對鋼板較薄、剛性差，以及在起吊、裝夾、加工過程中極易產(chǎn)生變形的問題，采用了減少裝夾次數(shù)、增加校調(diào)基準(zhǔn)、反復(fù)多次校調(diào)等方法來減小汽缸變形對加工的影響。汽缸7個(gè)部分加工的部位分別在中分面和側(cè)面，為了減少裝夾次數(shù)，充分應(yīng)用了機(jī)床現(xiàn)有的附件，用最優(yōu)化的裝夾方案進(jìn)行加工，大部分加工部位一次裝夾即可完

成。對于必須采用兩次裝夾才能完成的部位，在加工過程中通過反復(fù)校調(diào)基準(zhǔn)的方法，來保證兩次裝夾基準(zhǔn)的一致性。由于鋼板剛性差，裝夾時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)一邊校調(diào)準(zhǔn)后另一邊又不準(zhǔn)的情況，為此在加工時(shí)候采用反復(fù)多次校調(diào)的方法進(jìn)行安裝校準(zhǔn)。

3 總結(jié)

對玉環(huán)機(jī)組1000MW超超臨界汽輪機(jī)低壓缸加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了自主加工，節(jié)約了大量加工費(fèi)用，同時(shí)也確保了加工的進(jìn)度要求，為今后加工超大容量機(jī)組汽缸積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。玉環(huán)1000MW 汽輪機(jī)組是國家重點(diǎn)工程，確保該機(jī)組加工質(zhì)量和按時(shí)交貨意義重大。玉環(huán)機(jī)組制造工程的順利完成使生產(chǎn)能力更適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)的要求，也使百萬千瓦等級汽輪機(jī)的加工工藝上了一個(gè)新臺階。

[1] 施徐明.亞臨界300MW機(jī)組低壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)優(yōu)化改造[J].裝備機(jī)械，2014(4)： 32-37.

[2] 朱永茀，黃德厚.大型零件的平衡裝夾方法[J].機(jī)床，1985(11)： 23-24.

[3] 薛源順.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].3版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4] 陳遠(yuǎn)智.垂直螺孔加工專用工裝的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2011(2)： 113-115.

[5] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].5版.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[6] 李鵬飛，沈永根，蔡振銘.一種帶定位的螺紋孔加工方法[J].上海電氣技術(shù)，2015，8(2)： 32-36.

[7] 沈永根，蔡振銘.燃?xì)廨啓C(jī)中間缸制造技術(shù)的研究[J].裝備機(jī)械，2015(3)： 21-27.

[8] 孫智勇，姜黎生.百萬核電汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸車銑加工[J].機(jī)械工程師，2015(5)： 278-279.

[9] 陳雪.汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸大直徑螺紋數(shù)控鏜削加工技術(shù)[J].中國教育技術(shù)裝備，2015(14)： 169-170.

[10] 吳紀(jì).低壓缸汽封改造及內(nèi)缸面開槽經(jīng)濟(jì)性研究[J].江西電力，2013(4)： 88-90.

Low-pressure cylinder of 1000MW ultra-supercritical steam turbine requires high process technology owing to its large size. After a series of process analysis the determined process scheme could ensure the surface roughness of low-pressure cylinder and the screw positioning accuracy at the split plane, and it can also guarantee the deformation requirements during processing and the processing requirements specified by the drawings while improving the working efficiency, reducing the processing cost and ensure the processing schedule. The determined process scheme could provide a reference for localization manufacturing of low-pressure cylinder with homogeneous structures.

Ultra Supercritical Steam Turbine； Low-pressure Cylinder； NC Processing

2016年2月

王標(biāo)(1984— )，男，本科，工程師，主要從事汽輪機(jī)大型零部件的工藝及數(shù)控編制工作， E-mail: wangbiao@shanghai-electric.com

TM611.24;TG506

B

1674-540X(2016)03-039-05

*中國發(fā)明專利： 汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸腔體內(nèi)的斜銷孔的加工夾具及加工方法，專利號： 200910201135.3