白鶴灘百萬千瓦水電機組導(dǎo)水機構(gòu)制造質(zhì)量控制

張東勝，張華清

(1.三峽機電工程技術(shù)有限公司，四川成都610041；2.長江三峽技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展有限公司，四川成都610041)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游，是金沙江下游4個梯級電站中的第二級。白鶴灘水電站左右岸地下廠房各裝機8臺水輪發(fā)電機組，單機容量1 000 MW，單機容量在世界已建和在建機組中最大；總裝機16 000 MW，總裝機在世界已建和在建機組中僅次于三峽水電站。

白鶴灘水電站左右岸水輪發(fā)電機組設(shè)備分別由東方電機廠和哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)制造。

2018年10月，白鶴灘右岸首臺導(dǎo)水機構(gòu)在哈電順利通過業(yè)主方驗收，標志著世界首臺百萬千瓦水輪機導(dǎo)水機構(gòu)的成功制造，也標志著中國向世界水電無人區(qū)邁出了堅定的一步。

導(dǎo)水機構(gòu)是水輪發(fā)電機組設(shè)備中水輪機部分的關(guān)鍵部套，其制造質(zhì)量對機組后續(xù)是否能安全穩(wěn)定高效的運行十分關(guān)鍵。本文下面將對白鶴灘百萬水電機組導(dǎo)水機構(gòu)的制造質(zhì)量控制進行介紹。

2 白鶴灘水電機組導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)特點

白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)主要由底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋、控制環(huán)、導(dǎo)葉操作機構(gòu)等組成，圖1為預(yù)裝完成的的白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)整體形象。

圖1 導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝整體形象

2.1 頂蓋

頂蓋最大外徑11.97 m，高2.72 m，整體質(zhì)量約為380 t。頂蓋為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主要由下環(huán)板、外法蘭、上環(huán)板、中間筋板和合縫面板等裝焊而成。為便于運輸，頂蓋廠內(nèi)分為4瓣制造。頂蓋上環(huán)板布置有導(dǎo)葉上套筒、導(dǎo)葉操作機構(gòu)、控制環(huán)和水導(dǎo)軸承等，下環(huán)板布置有導(dǎo)葉中套筒、測壓孔、補氣孔、主軸密封等。頂蓋下環(huán)板為過流面，在活動導(dǎo)葉對應(yīng)位置裝焊一層不銹鋼抗磨板，在與轉(zhuǎn)輪上冠對應(yīng)位置裝焊有不銹鋼固定止漏環(huán)和階梯止漏環(huán)。圖2為兩瓣頂蓋倒放準備把和。

圖2 兩瓣頂蓋倒放準備把和

2.2 底環(huán)

底環(huán)最大外徑11.35 m，高0.63 m，整體重約96 t。頂蓋為鋼板、鑄件裝焊結(jié)構(gòu)，主要由上下環(huán)板、導(dǎo)葉下套筒鑄件、錐形環(huán)板等裝焊而成。為便于運輸，底環(huán)廠內(nèi)分4瓣制造。底環(huán)上環(huán)板為過流面，裝焊一層不銹鋼鋼板，底環(huán)布置有補氣孔，底環(huán)導(dǎo)葉下套筒內(nèi)裝壓有自潤滑軸瓦。圖3為正在進行機加工的底環(huán)。

圖3 底環(huán)進行機加工

圖4 控制環(huán)機加工(倒放)

2.3 控制環(huán)

控制環(huán)最大外徑約9.5 m，高1.82 m，整體重約55.6 t?？刂骗h(huán)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，主要由上、中、下環(huán)板和圍板等焊接而成。為便于運輸，控制環(huán)廠內(nèi)分2瓣制造?？刂骗h(huán)上環(huán)板布置兩個大耳孔與接力器相連，下環(huán)板布置有24個小耳孔與導(dǎo)葉操作機構(gòu)相連。小耳孔裝壓有自潤滑軸瓦。為防止控制環(huán)動作時上臺，控制環(huán)與頂蓋之間設(shè)有壓板。圖4為正在進行機加工的控制環(huán)。

2.4 導(dǎo)葉操作機構(gòu)

導(dǎo)葉操作機構(gòu)主要包括導(dǎo)葉臂、連接板、剪斷銷、上下連扳、導(dǎo)葉上中套筒等。其中導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉上中套筒為鑄件，連接板、連扳為鋼板。導(dǎo)葉上中套筒裝壓有自潤滑軸瓦。

2.5 活動導(dǎo)葉

白鶴灘機組活動導(dǎo)葉有24件，單件導(dǎo)葉長5.07 m，導(dǎo)葉瓣體寬約1.4 m，單件重約8 t，導(dǎo)葉上、中、下軸頸直徑分別為0.46、0.48、0.48 m。導(dǎo)葉為整鑄不銹鋼結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo。與活動導(dǎo)葉配合的導(dǎo)葉上中軸套和底環(huán)上的導(dǎo)葉下軸套分別裝壓有自潤滑軸瓦。圖5為加工完成的活動導(dǎo)葉。

圖5 加工完成的活動導(dǎo)葉

3 白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)制造質(zhì)量控制

3.1 白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)原材料質(zhì)量控制

原材料的質(zhì)量控制是保證白鶴灘導(dǎo)水機構(gòu)制造質(zhì)量的基礎(chǔ)。白鶴灘導(dǎo)水機構(gòu)累計設(shè)計幾千個部件，原材料有鋼板、鑄件。白鶴灘導(dǎo)水機構(gòu)主要原材料使用情況見表1。

表1 白鶴灘導(dǎo)水機構(gòu)主要原材料使用明細

3.1.1原材料供應(yīng)廠家的優(yōu)選

白鶴灘水電站機組單機容量1 000 MW，因此其對原材料的質(zhì)量要求較高。為保證原材料質(zhì)量，業(yè)主在簽訂機組合同時，根據(jù)以往機組供貨經(jīng)驗，擇優(yōu)選取材料牌號和供貨廠家，要求主機制造廠在采購原材料時必須在規(guī)定的范圍內(nèi)選取，以此來從源頭控制原材料質(zhì)量。白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)業(yè)主方明確規(guī)定的原材料包括：頂蓋外法蘭、固定止漏環(huán)、活動導(dǎo)葉、厚度170 mm及以上的鋼板等。

3.1.2重要原材料的復(fù)檢

對于白鶴灘電站設(shè)備一般的原材料，只需通過審核原材料廠家的自檢材質(zhì)證明文件即可。對于重要的原材料，需要主機廠進行復(fù)檢。白鶴灘電站為了進一步保證原材料質(zhì)量，創(chuàng)新的對重要原材料提出了業(yè)主方檢測：對重要的原材料，在原材料廠家、主機廠分別檢測合格的基礎(chǔ)上，委托監(jiān)造方通過第三方測試機構(gòu)再次對材料進行檢測，三方都檢測合格后才能用于白鶴灘電站設(shè)備。原材料廠家、主機廠、監(jiān)造方三家都需要對白鶴灘機組重要原材料進行了檢測，這更一步的保證了原材料的質(zhì)量。白鶴灘電站機組導(dǎo)水機構(gòu)需要進行業(yè)主方檢測的部件主要有頂蓋外法蘭、活動導(dǎo)葉。

3.1.3鑄件質(zhì)量的控制

白鶴灘電站機組導(dǎo)水機構(gòu)中的鑄件主要包括活動導(dǎo)葉，導(dǎo)葉上、中、下套筒，導(dǎo)葉臂等。鑄件一般容易產(chǎn)生鑄造缺陷。上述鑄件通過在粗加工后進行UT(超聲波)探傷消除內(nèi)部缺陷，精加工后進行PT(滲透)和MT(磁粉)消除表面缺陷，保證了鑄件的質(zhì)量。

3.2 白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)焊接質(zhì)量控制

白鶴灘電站機組導(dǎo)水機構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)件主要包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)。其中以頂蓋、底環(huán)焊接難度較大。頂蓋的焊接難點在于鋼板厚、焊縫多、焊量大；底環(huán)的焊接難度在于徑向尺寸大、高度方向尺寸小，焊后易產(chǎn)生變形。控制環(huán)結(jié)構(gòu)、焊量適中，較頂蓋、底環(huán)焊接難度小。白鶴灘電站機組頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)通過在焊前、焊中、焊后進行合理控制，最終質(zhì)量滿足了設(shè)計要求。

白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接的大致工藝流程為：下料、成型→分部件拼焊→整體裝配→焊接→焊后熱處理前探傷、尺寸檢查→熱處理→熱處理后探傷、尺寸檢查→噴砂、涂底漆→轉(zhuǎn)加工序粗車→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→清理、轉(zhuǎn)加工序。根據(jù)其工藝特點，可以把頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接的質(zhì)量控制分為焊前、焊中和焊后。

3.2.1焊前

焊前主要是工藝準備和結(jié)構(gòu)件裝配工作。

工藝準備主要是指頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的圖紙、焊接工藝卡、人員等的準備。圖紙、焊接工藝卡是焊接的指導(dǎo)性文件，首先在其編制后，需要交設(shè)計、工藝、監(jiān)造人員進行審查；在頂蓋圖紙審查時，由監(jiān)造人員發(fā)現(xiàn)頂蓋1處筋板漏開坡口，后續(xù)及時對圖紙進行了更改；其次，要向相關(guān)裝配、焊接、探傷、檢查人員對圖紙、焊接工藝卡進行交底，使其掌握制造過程的重點和難點。為了保證機組導(dǎo)水機構(gòu)的焊接件質(zhì)量，主機制造廠優(yōu)選有經(jīng)驗的裝配、焊接人員對頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)進行裝配、焊接，并優(yōu)選有經(jīng)驗的探傷、檢查人員對焊接結(jié)構(gòu)件進行檢查。

結(jié)構(gòu)件裝配工作主要是指將頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)等的分裝配部件裝配成整體，再由焊接人員進行焊接。結(jié)構(gòu)部件裝配應(yīng)嚴格按圖紙要求進行，裝配后應(yīng)檢查各部分尺寸，基準線及相對位置是否正確，是否留有焊接收縮余量、機械加工余量等；檢查焊接接頭的坡口型式及尺寸是否正確；檢查定位焊的焊縫布置是否恰當，能否起到固定作用，是否會給焊后帶來過大的內(nèi)應(yīng)力；檢查焊接處是否清潔，有無缺陷(如裂縫、凹陷、夾層等)。

3.2.2焊中

白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊縫焊接均采用熔化極氣體保護焊，焊材為焊絲。焊接時應(yīng)嚴格按照焊接工藝卡規(guī)定的焊接工藝規(guī)范進行焊接。檢查人員、監(jiān)造人員通過現(xiàn)場巡檢，對焊接規(guī)范執(zhí)行情況進行檢查，檢查的內(nèi)容主要由焊縫是否按要求預(yù)熱，焊接電壓、電流、速度等是否符合規(guī)范要求。在導(dǎo)水機構(gòu)頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)焊接過程中，監(jiān)造人員多次發(fā)現(xiàn)未按規(guī)范要求進行預(yù)熱情況，均及時進行了糾正，最終保證了頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的焊接質(zhì)量。

3.2.3焊后

焊后的主要工作是檢查，分為熱處理前和熱處理后。熱處理前的檢查工作包括焊縫探傷和焊接尺寸。熱處理后的檢查工作包括焊縫探傷、焊接尺寸、噴砂后焊縫外觀、頂蓋減壓管路耐壓試驗等。檢查應(yīng)嚴格按照圖紙、焊接工藝卡要求執(zhí)行。監(jiān)造在進行頂蓋焊后檢查時，發(fā)現(xiàn)帶油箱的1瓣頂蓋郵箱法蘭焊后變形，可能會造成油箱在機組運行時密封不好；監(jiān)造方及時指出，主機廠更換了厚的法蘭重新焊接，結(jié)果合格，保證了頂蓋的質(zhì)量。

3.3 導(dǎo)水機構(gòu)加工質(zhì)量控制

導(dǎo)水機構(gòu)需要重點關(guān)注的加工部件包括頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)和活動導(dǎo)葉，其中尤以頂蓋、底環(huán)加工尺寸多，加工難度大。加工尺寸的質(zhì)量控制要重點關(guān)注尺寸精度要求高的尺寸和與其他部件有配合需求的尺寸。根據(jù)部件結(jié)構(gòu)特點，下面分別對頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉的加工質(zhì)量控制進行介紹。

3.3.1頂蓋加工質(zhì)量控制

頂蓋的加工工藝流程主要為：加工1/4瓣合縫面→兩個1/4瓣組圓加工1/2圓合縫面→4瓣組圓后粗車(期間加工抗磨板、止漏環(huán)等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關(guān)孔。根據(jù)頂蓋結(jié)構(gòu)和工藝特點，對其加工質(zhì)量控制要關(guān)注以下3點。

(1)頂蓋合縫面間隙。頂蓋合縫面間隙設(shè)計要求0.05 mm塞尺塞不進，局部間隙要求不超過0.10 mm。由于機床精度較差、頂蓋整體高度偏大和結(jié)構(gòu)剛度好，合縫面間隙控制難度大。為保證合縫面間隙，主要采取兩點措施：①對外法蘭合縫面外圓一定距離留出空刀，這一是降低了頂蓋間隙控制的整體難度，且這一段空刀利于其余部位的間隙控制；②精加工合縫面時，用激光跟蹤儀來補償加工機床的精度，保證合縫面平面度。通過上述措施，最總合縫面間隙符合設(shè)計要求。

(2)頂蓋抗磨板、止漏環(huán)、導(dǎo)葉軸孔加工。頂蓋抗磨板與活動導(dǎo)葉瓣體端面配合，其平面度直接影響機組運行時導(dǎo)葉的端面密封性；頂蓋止漏環(huán)包括固定止漏環(huán)和階梯止漏環(huán)，止漏環(huán)與轉(zhuǎn)輪配合，間隙較小，其加工圓度、公差直接影響機組安裝時與轉(zhuǎn)輪的配合；頂蓋導(dǎo)葉中軸孔與導(dǎo)葉中軸配合，共24個孔，加工的位置度、直徑公差將影響導(dǎo)葉的裝配和動作靈活度，中軸孔的位置度還影響與底環(huán)的導(dǎo)葉下軸孔的同心度。因此，應(yīng)重點關(guān)注這幾處尺寸的加工檢查。

(3)頂蓋相關(guān)孔。頂蓋上布置有測壓孔、補氣孔、排水孔等各種孔，孔的數(shù)量多，分布位置廣，應(yīng)嚴格按照圖紙進行加工，防止錯加工、漏加工。

3.3.2底環(huán)加工質(zhì)量控制

底環(huán)的加工工藝流程主要為：加工1/4瓣合縫面→兩個1/4瓣組圓加工1/2圓合縫面→4瓣組圓后粗車(期間加工抗磨板、止漏環(huán)等配合面)→裝配、焊接抗磨板、止漏環(huán)等→4瓣精加工合縫面→再次組圓精車、精鏜→分瓣鏜、鉆相關(guān)孔。

底環(huán)的加工流程與頂蓋類似，由于底環(huán)高度小，合縫面間隙較頂蓋容易控制；底環(huán)的抗磨板、止漏環(huán)、導(dǎo)葉軸孔加工和各種孔的加工質(zhì)量控制同頂蓋，這里不再贅述。底環(huán)由于徑向尺寸大、高度偏小，焊后已產(chǎn)生變形，且由于應(yīng)力作用，底環(huán)可能發(fā)生變形的時間很長。為控制這一點，在底環(huán)粗加工后，對其進行一定時間的時效、來充分釋放其應(yīng)力，然后再進行精加工，保證了底環(huán)的質(zhì)量。

3.3.3控制環(huán)加工質(zhì)量控制

控制環(huán)的加工工藝流程主要為：加工1/2瓣合縫面→組圓粗車(期間加工抗磨板配合面)→裝配、焊接抗磨板→再次組圓精車、精鏜。

控制環(huán)的加工較頂蓋、底環(huán)簡單，需要重點關(guān)注的是控制環(huán)24個小耳孔和2個大耳孔的加工質(zhì)量：小耳孔與連板銷配合，大耳孔與接力器連接板銷配合。

3.3.4活動導(dǎo)葉加工質(zhì)量控制

活動導(dǎo)葉的加工工藝流程主要為：活動導(dǎo)葉車序加工導(dǎo)葉上中下軸頸→活動導(dǎo)葉銑序加工導(dǎo)葉瓣體→活動導(dǎo)葉單件加工完成，與導(dǎo)葉臂等裝配后加工分瓣鍵。

活動導(dǎo)葉的加工精度高，應(yīng)重點控制兩點：

(1)活動導(dǎo)葉上中下軸頸分別與上套筒、中套筒和底環(huán)上的下套筒配合，軸頸的直徑公差小，且3個軸頸的同軸度要求高，檢查活動導(dǎo)葉尺寸時應(yīng)重點關(guān)注。

(2)活動導(dǎo)葉與導(dǎo)葉臂間有3個分瓣銷孔，銷孔與分瓣銷的配合尺寸要求高，因此分瓣銷孔的加工要求高，檢查時應(yīng)重點關(guān)注。

3.4 白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)廠內(nèi)預(yù)裝

白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)部件眾多，為保證各部件之間的配合質(zhì)量，首臺導(dǎo)水機構(gòu)在主機制造廠內(nèi)進行了預(yù)裝。白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)參與預(yù)裝的部件有底環(huán)、活動導(dǎo)葉、頂蓋、活動導(dǎo)葉操作機構(gòu)(包括導(dǎo)葉臂、連接板、上下連扳等)、控制環(huán)等。

白鶴灘機組導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝后，需要檢查的項目有：①頂蓋、底環(huán)、控制環(huán)的合縫面間隙，要求間隙0.05 mm塞尺塞不進，局部間隙不超過0.10 mm；②頂蓋抗磨板面水平，水平度要求不超過0.050 mm；③頂蓋、底環(huán)固定止漏環(huán)同心度，要求不超過0.20 mm；④頂蓋、底環(huán)間抗磨板相對高度；⑤活動導(dǎo)葉端面、立面間隙；⑥活動導(dǎo)葉動作試驗，要求動作靈活，無卡阻；⑦活動導(dǎo)葉在10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、105%等11個開度下的開口大小，其中考核100%開口時24個導(dǎo)葉開口大小與其平均值偏差不超過±2%。

4 結(jié) 語

白鶴灘水電站水電機組設(shè)備是世界首臺百萬千瓦水輪發(fā)電機設(shè)備，其導(dǎo)水機構(gòu)作為關(guān)進部套，制造難度非常大。通過對原材料、焊接、加工、預(yù)裝等四方面的質(zhì)量控制，最終使世界首臺百萬千瓦水電機組導(dǎo)水機構(gòu)順利通過了業(yè)主驗收。