燈泡貫流式機(jī)組主軸軸頸裂紋處理防變形措施研究

王 佩，陳天宇

（1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.五凌電力有限公司凌津?yàn)┧姀S，湖南 常德 415731）

1 概述

凌津?yàn)╇姀S（以下簡(jiǎn)稱(chēng)電廠）位于湖南省常德市桃源縣境內(nèi)，屬于上游五強(qiáng)溪電廠的反調(diào)節(jié)電站，共安裝9臺(tái)30 MW的燈泡貫流式機(jī)組。2020年，電廠3號(hào)機(jī)組檢修中發(fā)現(xiàn)主軸水輪機(jī)側(cè)軸頸R角存在大量裂紋。裂紋清根后，共有20條，其中裂紋最長(zhǎng)180 mm，最深34 mm，裂紋清根前后的情況如圖1所示。為保證安全運(yùn)行的需要，必須對(duì)裂紋進(jìn)行焊接修復(fù)。

圖1 主軸軸頸裂紋清根前后情況示意圖

2 防變形控制措施研究

2.1 裂紋修復(fù)分析

電廠3號(hào)機(jī)組的主軸是由日立公司設(shè)計(jì)加工，材質(zhì)為（JIS）SF540A，根據(jù)分析，主軸軸頸裂紋為疲勞裂紋。以12顆水輪機(jī)聯(lián)軸螺栓為參照，將主軸法蘭軸徑展開(kāi)，并繪制打磨后的裂紋位置示意圖如圖2所示，如圖可見(jiàn)裂紋數(shù)量多，焊接量大且密集，其中裂紋最深達(dá)到34 mm。焊接過(guò)程中，主軸受焊接殘余應(yīng)力的影響將發(fā)生變形，而主軸法蘭加工精度很高，裂紋修復(fù)后主軸法蘭很難達(dá)到垂直度要求，經(jīng)哈電專(zhuān)家核算后，主軸法蘭變形量需控制在0.05 mm內(nèi)。

圖2 裂紋分布情況示意圖

因此，若裂紋焊接修復(fù)過(guò)程中處理不當(dāng)，未采取有效的控制措施，主軸法蘭很可能發(fā)生無(wú)法手工修復(fù)的變形，導(dǎo)致主軸必須返廠維修，期間機(jī)組停運(yùn)，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 主軸防變形問(wèn)題分析

由于轉(zhuǎn)輪處于安裝狀態(tài)，受轉(zhuǎn)輪法蘭的限制，焊接過(guò)程中主軸法蘭不會(huì)發(fā)生軸向變形，只會(huì)隨轉(zhuǎn)輪一體發(fā)生徑向的彎曲變形。焊接修復(fù)時(shí)，主軸彎曲變形的方向主要有兩種，一種是受轉(zhuǎn)輪重力的影響向下變形，另一種是焊接完成冷卻后，受焊接殘余應(yīng)力的影響，主軸將向焊接位置的方向收縮變形。因此，主軸防變形控制的核心問(wèn)題一是選擇合適的焊接工藝，盡量減小焊接的變形量；二是合理地調(diào)整焊接位置，將主軸的變形量控制在預(yù)期的范圍內(nèi)。

2.3 焊接工藝研究

結(jié)合主軸的材質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，可以考慮采用氬弧焊對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)，因?yàn)闅寤『妇哂须娀崃考校瑹嵊绊憛^(qū)窄，焊接應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地減小焊接變形。補(bǔ)焊前，先對(duì)裂紋區(qū)打磨清根，經(jīng)MT檢測(cè)合格后，制備焊接坡口，再將補(bǔ)焊區(qū)域清理干凈，露出金屬光澤。為減少變形量，焊接時(shí)還應(yīng)遵循以下措施：

（1）盡可能采用小規(guī)范進(jìn)行鑲邊焊、窄焊道、薄焊層。

（2）除第一層和表層焊縫外每層焊縫焊后立即采用錘擊方法消除應(yīng)力。鍾擊至焊縫表面達(dá)到均勻屈服為止，降低焊接殘余應(yīng)力。鍾擊后對(duì)屈服層進(jìn)行打磨清除。

2.4 防變形控制措施

選擇光滑并具有較高的圓度的圓弧面，焊接百分表支架，在圓弧面徑向的垂直方向和水平方向各安裝1塊百分表，凌津?yàn)╇姀S百分表安裝在泄水錐Ⅰ段下游側(cè)端面外緣止口處。由于主軸法蘭與輪轂以及輪轂與泄水錐Ⅰ段的結(jié)合面均有高精度的止口配合，且連接螺栓均已緊固并做好止動(dòng)措施，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)輪不會(huì)發(fā)生相對(duì)的徑向運(yùn)動(dòng)，因此將百分表安裝在此處可以監(jiān)視主軸的變形量。此外，由于電廠泄水錐Ⅰ段端面止口的外徑與主軸法蘭的外徑基本一致但與主軸軸頸有一定的距離，若能將止口處的變形量控制在要求的0.05 mm范圍內(nèi)，主軸法蘭實(shí)際的變形量更小。

受工作環(huán)境的限制，百分表安裝支架可能難以充分固定，且由于作業(yè)周期長(zhǎng)，實(shí)際操作時(shí)百分表有可能被誤動(dòng)導(dǎo)致讀數(shù)出現(xiàn)偏差，常規(guī)的變形監(jiān)視方法可能存在數(shù)據(jù)失真的情況，本文采用檢查全擺度的方法對(duì)變形量進(jìn)行監(jiān)視，具體操作方法如下：

（1）先對(duì)泄水錐Ⅰ段端面外緣的止口用精研砂紙打磨光滑，確保表面光滑無(wú)高點(diǎn)。

（2）焊接修復(fù)前，參考12個(gè)水輪機(jī)聯(lián)軸螺栓的位置，在泄水錐Ⅰ段端面外緣對(duì)應(yīng)標(biāo)記12個(gè)測(cè)點(diǎn)，盤(pán)車(chē)記錄百分表在各個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始讀數(shù)。

（3）根據(jù)裂紋的分布情況，合理安排裂紋處理順序，保證對(duì)稱(chēng)焊接。以本次裂紋情況為例，若將3號(hào)螺栓盤(pán)車(chē)至垂直方向，則可以對(duì)稱(chēng)焊接6號(hào)和12號(hào)螺栓區(qū)域的裂紋。

（4）每次焊接結(jié)束且主軸完全冷卻后，以任意初始讀數(shù)為基準(zhǔn)，手動(dòng)調(diào)整百分表或通過(guò)計(jì)算將基準(zhǔn)點(diǎn)讀數(shù)調(diào)整至與初始讀數(shù)一致，對(duì)主軸進(jìn)行盤(pán)車(chē)檢查，記錄百分表在各測(cè)點(diǎn)的讀數(shù)，可以根據(jù)需要適當(dāng)增加盤(pán)車(chē)檢查次數(shù)。本次裂紋處理中選擇3號(hào)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)，每次盤(pán)車(chē)前將百分表在3號(hào)點(diǎn)的數(shù)據(jù)設(shè)置為初始值0.13 mm（選擇其他任意點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)結(jié)果一致），部分測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)

（5）實(shí)際焊接過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)輪重力、對(duì)稱(chēng)位置裂紋長(zhǎng)度、深度及作業(yè)人員焊接速度等因素的綜合影響，主軸將發(fā)生斜下方的變形。為盡量減小主軸水平方面的變形，便于變形控制，焊接過(guò)程中，可以安排專(zhuān)人對(duì)水平方向的百分表數(shù)值進(jìn)行監(jiān)視，例如當(dāng)發(fā)現(xiàn)主軸明顯向左側(cè)彎曲變形時(shí)，說(shuō)明右側(cè)的焊接速度過(guò)快，可以立即降低右側(cè)的焊接速度或停止焊接并錘擊消除焊接應(yīng)力。

（6）主軸的變形量可以由盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)偏差的全擺度計(jì)算得出，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主軸向某個(gè)方向變形時(shí)，可以將該位置盤(pán)車(chē)至上半部繼續(xù)對(duì)稱(chēng)焊接，利用轉(zhuǎn)輪重力將變形量回調(diào)。以表1中數(shù)據(jù)②為例，測(cè)量時(shí)狀態(tài)為4號(hào)測(cè)點(diǎn)在正下方，正在進(jìn)行1號(hào)及7號(hào)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的對(duì)稱(chēng)焊接，如圖3所示。根據(jù)表1中盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)與初始讀數(shù)的偏差可計(jì)算偏差的全擺度如表2所示，從全擺度數(shù)據(jù)可見(jiàn)，主軸的最大變形出現(xiàn)在5號(hào)測(cè)點(diǎn)方向，達(dá)到0.14 mm，此時(shí)可以綜合考慮焊接位置及變形量，將4號(hào)螺栓盤(pán)車(chē)至正上方，繼續(xù)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)焊接，利用轉(zhuǎn)輪的重力將變形量回調(diào)，焊接位置調(diào)整前后的示意圖如圖3所示?；卣{(diào)后的數(shù)據(jù)如讀數(shù)③所示，由讀數(shù)③與初始數(shù)據(jù)偏差的全擺度可見(jiàn)，主軸變形量被調(diào)整至要求的范圍內(nèi)。

圖3 焊接位置調(diào)整前后示意圖

表2 全擺度數(shù)據(jù)表

（7）當(dāng)不能滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)焊接要求時(shí)，以圖2中4號(hào)裂紋為例，長(zhǎng)度較長(zhǎng)且對(duì)稱(chēng)位置沒(méi)有裂紋，可以將裂紋盤(pán)車(chē)至正上方焊接修復(fù)，正上方焊接的優(yōu)點(diǎn)一是主軸只會(huì)發(fā)生垂直方向的變形，二是部分向上的收縮應(yīng)力被重力抵消，極大地降低了變形量，便于變形控制。主軸實(shí)際的變形方向受焊接速度、裂紋深度及轉(zhuǎn)輪重力的綜合影響，可能存在差異，因此，非對(duì)稱(chēng)焊接時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加盤(pán)車(chē)檢查的次數(shù)。其中4號(hào)裂紋焊接處理時(shí)，冷卻的收縮應(yīng)力小于轉(zhuǎn)輪重力，主軸向下變形，即8號(hào)、9號(hào)螺栓方向。當(dāng)變形量偏大時(shí)，可以考慮將8號(hào)、9號(hào)螺栓盤(pán)車(chē)至正上方進(jìn)行冷卻，利用重力和收縮應(yīng)力將變形量回調(diào)。

（8）最終處理后的數(shù)據(jù)如讀數(shù)④所示，最大全擺度為0.1 mm，主軸變形量為全擺度的一半，滿(mǎn)足變形控制的要求。

3 檢修后運(yùn)行狀況

檢修后，對(duì)3號(hào)機(jī)監(jiān)視發(fā)現(xiàn)，3號(hào)機(jī)的運(yùn)行狀況良好，水導(dǎo)軸承振動(dòng)、運(yùn)行溫度等參數(shù)與檢修前基本一致，其中表3為抽查3號(hào)機(jī)檢修前后相同水頭和有功下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。監(jiān)視結(jié)果說(shuō)明3號(hào)機(jī)軸頸裂紋焊接處理中的防變形控制取得了良好的效果。

表3 檢修前后部分振動(dòng)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

主軸是水輪機(jī)的重要部件，若主軸法蘭發(fā)生變形，將直接影響轉(zhuǎn)輪與主軸的同軸度，導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)振動(dòng)和擺度明顯增大，也可能導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)槳葉與轉(zhuǎn)輪室發(fā)生碰摩等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。凌津?yàn)╇姀S3號(hào)機(jī)檢修中，水輪機(jī)主軸軸頸發(fā)現(xiàn)大量裂紋，受檢修工期影響，選擇了臨時(shí)的焊接修復(fù)手段，并采取了有效的防變形控制措施，確保了主軸修復(fù)后機(jī)組能夠滿(mǎn)足安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。但由于主軸發(fā)生裂紋的根本原因?yàn)閺澢趶?qiáng)度偏低，運(yùn)行中裂紋還可能繼續(xù)產(chǎn)生，因此，后續(xù)可以考慮將主軸更換，徹底消除安全隱患。