白鶴灘定子機(jī)座制造關(guān)鍵技術(shù)研究

劉同兵?徐先林

摘 要：隨著我國水電機(jī)組向高水頭、大容量和高參數(shù)方向發(fā)展，其定子機(jī)座作為發(fā)電機(jī)定子的重要組成部分。單機(jī)容量百萬千瓦級白鶴灘水電站其質(zhì)量目標(biāo)為打造國內(nèi)外頂級精品工程，無論在施工難度上及制造質(zhì)量精度要求上，都是水電站發(fā)電機(jī)定子機(jī)座有史以來最高要求。本文從原材料訂購、檢驗(yàn)、下料、零部件成型、退火處理、加工、整體拼接、預(yù)組裝、運(yùn)輸交貨等一系列技術(shù)方面對白鶴灘定子機(jī)座制造關(guān)鍵技術(shù)工藝進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：定子機(jī)座;百萬千瓦級;精品;最高;關(guān)鍵技術(shù)

1 前言

白鶴灘發(fā)電機(jī)定子機(jī)座外形尺寸為φ20.7m×7.7m，單套重量為249t，最大板厚125mm，最薄板厚15mm，整個(gè)定子機(jī)座分成18個(gè)斜立筋和9層環(huán)板組成，層間用筋板串聯(lián)焊接，制作加工后，分瓣發(fā)貨，現(xiàn)場組焊成整體，分9瓣運(yùn)輸，單瓣尺寸為：7.5m×6.7m×2.2m，為超大件運(yùn)輸。百萬千瓦級水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座為環(huán)形薄壁結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)尺寸大，焊接過程容易變形，加工精度要求及高。各環(huán)板內(nèi)徑公差在-1至+3mm，支墩與基礎(chǔ)板基準(zhǔn)面平行度為0.2mm。其下環(huán)板周向平面度為1mm，徑向平面度為2mm，整體平面度6mm，斜立筋垂直度2mm，下基礎(chǔ)板平面至下環(huán)板平面度公差為±3mm。

2 工藝流程

根據(jù)上述工藝流程可分析確定定子機(jī)座制作關(guān)鍵技術(shù)主要有：（1）定子機(jī)座板厚最大達(dá)到125mm，且多為異形板下料，下料尺寸及精度保證尤為重要。（2）由于定子機(jī)座下環(huán)板平面度要求較高，其圖紙要求為單瓣加工完成后再整體拼焊，需通過整體拼焊來控制平面度，必須采取有效的拼焊工藝和加固措施來控制焊接變形。（3）定子機(jī)座仰焊焊縫外觀需與平焊焊縫外觀一樣，若單瓣解體全部采用平焊焊接方式，無法監(jiān)控及控制定子機(jī)座整體焊接變形，需考慮采用全自動(dòng)焊接機(jī)械臂焊接方式進(jìn)行焊接，電腦云系統(tǒng)全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控的方式來保證。（4）結(jié)構(gòu)尺寸大，加工精度要求高，加工難度大，必須制定可行的加工工藝及工裝。（5）定子機(jī)座單瓣尺寸較大，為超大件運(yùn)輸，需采用有效的工裝包裝運(yùn)輸。

3 關(guān)鍵技術(shù)措施

3.1 超厚板下料及坡口制備技術(shù)

由于定子機(jī)座板最大板厚達(dá)到125mm，為了保證下料后鋼板的形位尺寸（如垂直度、成型弧度），在材料采購時(shí)，都采用雙定尺鋼，減少接板對板材尺寸及變形的影響，對厚板鋼板鉆孔后再采用火焰數(shù)控機(jī)床下料，下料后采用特制坡口導(dǎo)向裝置半自動(dòng)切割機(jī)制備坡口，以此工藝保證質(zhì)量。

3.2 零部件成型工藝

為保證定子機(jī)座整體成型尺寸滿足要求，對于部分零部件下料后需進(jìn)行精加工使其滿足尺寸要求，來控制拼裝間隙，減少整體拼焊變形。零部件在拼焊時(shí)，搭設(shè)高精度平臺，采用特制工裝，提高零部件成型后的精度。

3.2.1 下環(huán)板預(yù)制

下環(huán)板與環(huán)筋板單獨(dú)拼焊后進(jìn)行退火熱處理，完成后采用1200t自制油壓機(jī)或局部采用火焰校正，校正合格后，保證50mm環(huán)板板厚不偏薄的情況下整圓劃水平線基準(zhǔn)點(diǎn)（每瓣上不少于3點(diǎn)）及單瓣下環(huán)板兩端配割余量（約30mm）切割線，畫線完成后解體并將余量進(jìn)行切割。

調(diào)整合格后先進(jìn)行一次預(yù)加工平面，定子機(jī)座整體平焊完成后，對于下環(huán)板平面度超標(biāo)位置采用自制大型環(huán)形銑刀裝置（加工半徑可達(dá)到15米）進(jìn)行平面二次加工。

3.2.2 斜立筋預(yù)制

將在件1（上板）、件2（板）、件3（下板）放置于平臺上，分別劃出基準(zhǔn)點(diǎn)和中心線及裝配位置線，然后將板放置于工裝平臺上，調(diào)整其平面度≤1mm，中心直線度≤1mm后，在板上拼裝定位擋塊（擋塊端面采用加工），然后拼裝下板，保證下板與板垂直度≤1mm，位置尺寸±1mm內(nèi)，接著進(jìn)行上板拼裝，由于上板與板成一定角度（33.48°），拼裝時(shí)應(yīng)保證其角度及位置準(zhǔn)確，定位后采用角度尺等工具進(jìn)行復(fù)查，角度偏差33.48°±0.5°，其他位置尺寸不大于±1mm，最后拼裝件4（筋板），整體拼裝完成后，長度尺寸應(yīng)保證+2mm，各裝配間隙不大于1mm，未防止焊接翻邊變形，在板與下板焊縫兩側(cè)拼裝加固支撐板，拼裝完成應(yīng)對其進(jìn)行編號，其拼裝示意圖如下。

拼裝合格后進(jìn)行退火，出爐后對其焊縫再次進(jìn)行檢查，將斜立筋放置工裝平臺上，以板為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)平，然后將斜立筋的上板、下板平面度及垂直度校形到≤2mm，板的垂直度控制在≤2mm，板的平面度2mm/m，板的整體平面度≤4mm，板的中心直線度≤1mm，校正主要采用1200t自制油壓機(jī)或局部采用火焰校正，校正合格后，保證上、下板厚不偏薄的情況下劃加工基準(zhǔn)點(diǎn)（不少于3點(diǎn)），按照正公差極限劃出加工基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.3定子機(jī)座機(jī)加工技術(shù)

3.3.1 下環(huán)板加工

由于下環(huán)板單瓣尺寸大，單獨(dú)拼焊完成后單瓣采用T920落地鏜床進(jìn)行平面加工。將切割完成后的下環(huán)板單瓣吊上落地鏜床平臺，按水平余量線進(jìn)行校正下環(huán)板與刀盤角度并進(jìn)行加固與夾緊，校正合格后按水平余量線粗、精車加工下環(huán)板平面，保證表面粗糙度Ra12.5。

定子機(jī)座在整體拼裝焊接控制變形來控制整體平面度，對于焊后變形較大的位置，采用自制大型環(huán)形銑刀裝置（加工半徑可達(dá)到15米）進(jìn)行平面二次加工。

3.3.2 斜立筋加工

將劃線完成后的斜立筋吊上落地鏜床平臺，按加工基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校正斜立筋與刀盤角度并進(jìn)行加固與夾緊，校正合格后按加工基準(zhǔn)線余量線粗、精車加工上、下板平面，保證表面精度要求，上、下板平面度≤0.1mm，上下平行度≤2mm。

加工完成后與基礎(chǔ)板配加工，采用落地鏜床進(jìn)行鉆鉸4-φ50mm孔，主要采用整體把合配鉆方式進(jìn)行，首先通過點(diǎn)焊的方式將基礎(chǔ)板與斜力筋進(jìn)行固定牢固，然后鉸制孔分三個(gè)工序進(jìn)行完成，先進(jìn)行通孔配鉆，通孔配鉆完成后進(jìn)行初鉸并嚴(yán)格控制余量及精度，每一道鉸制完成后應(yīng)測量剩余余量是否滿足要求，檢測完成后，進(jìn)行精鉸，精鉸應(yīng)嚴(yán)格控制每一道鉸制切削量，同時(shí)每道鉸制完成進(jìn)行測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定下一道鉸制量，最終鉸制孔偏差0～+0.039mm，并配對編號，并進(jìn)行標(biāo)記?；A(chǔ)板配鉆鉸時(shí)，應(yīng)注意區(qū)分基礎(chǔ)板內(nèi)徑側(cè)與外徑側(cè)（見下圖），采用標(biāo)記或記號筆標(biāo)記清楚，避免造成方向錯(cuò)誤。

3.3.3 對機(jī)加工質(zhì)量檢查

3.3.3.1 對主要機(jī)加工部件編制機(jī)加工工藝指導(dǎo)書，并對操作工人進(jìn)行技術(shù)交底。

3.3.3.2 要求操作人員嚴(yán)格按照工藝指導(dǎo)書操作，并加強(qiáng)加工前后與加工過程中的檢查控制。

3.4定子機(jī)座拼裝工藝

由于定子機(jī)座尺寸較大，下環(huán)板周向平面度為1mm，整體6mm，斜立筋垂直度為2mm。為保證其精品工程要求，需搭設(shè)高精度平臺，在平臺上放地樣;定子機(jī)座共設(shè)有9層環(huán)板，其各環(huán)板內(nèi)徑公差要求再-1至+3mm，為保證拼焊后定子機(jī)座同軸度要求，為保證各層環(huán)板同軸度在一個(gè)基準(zhǔn)上，通過自制塔架升降式基準(zhǔn)架，保證各層環(huán)板中心在豎直線上，以此基準(zhǔn)來保證每層環(huán)板拼焊、調(diào)整同軸度。具體施工工藝如下：

下環(huán)板組焊、斜立筋等部件下料、預(yù)制、焊接、退火、加工完成后進(jìn)行整體組拼。先把下環(huán)板（指下環(huán)板和壁板拼焊在一起的部分）在定子機(jī)座整體組拼平臺上進(jìn)行組拼，把下環(huán)板上表面初步調(diào)平，再調(diào)整其內(nèi)圓及外圓應(yīng)控制在控制在±5mm以內(nèi)（含配割量），檢測合格后調(diào)整下環(huán)板水平達(dá)標(biāo)（整體水平保證在2mm之內(nèi)，并且外圓的水平必須比內(nèi)圓的水平低1mm）。下環(huán)板內(nèi)、外圓每隔1m 與平臺間焊接100mm×10mm Q235角鋼作臨時(shí)支撐。測量各尺寸符合圖紙要求，確保下環(huán)板內(nèi)圓、外圓有足夠的氣割余量。

對下環(huán)板上進(jìn)行斜立筋的位置和環(huán)板筋板放樣，劃出每一瓣的斜立筋裝配基準(zhǔn)向心軸線及首層筋板裝配位置線，檢查合格后進(jìn)行斜立筋槽的切割，然后進(jìn)行斜立筋的拼裝，拼裝時(shí)控制其上下基礎(chǔ)面的平面度要求，半徑位置，尤其是垂直度的控制（垂直度在環(huán)板拼裝前必須保證在5mm內(nèi)，待環(huán)板拼完后焊前垂直度控制在3mm內(nèi)，這樣才能保證在定子機(jī)座焊接完成后，垂直度保證在3mm合格范圍內(nèi)）。

拼裝下環(huán)板上均布的筋板，完成后依次從下向上進(jìn)行中環(huán)板及環(huán)板筋板的拼裝，最后拼裝上環(huán)板（上環(huán)板暫時(shí)先不焊接，待焊接完調(diào)校定子機(jī)座時(shí)再焊接，這樣可以保證上環(huán)板的水平）。采用經(jīng)緯儀放樣出各環(huán)板中心，并采用自制工裝進(jìn)行圓心標(biāo)記，便于檢測和保證環(huán)板同心度要求。

組拼完成后進(jìn)尺寸的檢查，重點(diǎn)控制下環(huán)板的水平及其外傾度，保證上、中、下環(huán)板的半徑、同軸度要求，以及斜立筋的垂直度，斜立筋基礎(chǔ)板的平面度、斜立筋基礎(chǔ)板和下環(huán)板的高差。上、中環(huán)板因分塊拼裝，在拼裝前進(jìn)行環(huán)板弧度的檢查，對不符合要求的進(jìn)行處理再進(jìn)行拼裝。

待檢查合格后，焊接前必須對個(gè)各焊縫進(jìn)行全面加固，長度不低于80mm。，在斜立筋上板上安裝起吊裝置，向下環(huán)板中插裝斜立筋（注意：上、下斜立筋要用工具螺釘擰緊）。調(diào)整斜立筋的垂直度、斜立筋至中心的尺寸、斜立筋下平面到定子鐵心中心線尺寸等符合圖紙要求，且保證斜立筋定位銷孔的弦長為R±2mm。斜立筋位置調(diào)整合適后，在斜立筋上平面與相鄰斜立筋（包括相鄰其他瓣體斜立筋）之間焊接100mm×10mm Q235角鋼進(jìn)行固定，焊角尺寸10mm。斜立筋與下環(huán)板間搭焊固定。

3.5 定子機(jī)座焊接技術(shù)、焊接變形控制

3.5.1 焊接變形控制措施

因定子機(jī)座分成多瓣，為了控制焊接變形，每瓣安排1名焊工同時(shí)同層均布焊接。焊接時(shí)采用合理的焊接規(guī)范和焊接順序，按照先立后仰再平的原則進(jìn)行，每一層均同時(shí)進(jìn)行。具體流程可按如下進(jìn)行：尺寸檢驗(yàn)合格→加固（含拉筋）→筋板焊接（先仰焊、后平焊）→同層焊接（中環(huán)板、上環(huán)板在斜向筋處的對接縫→上環(huán)板、中環(huán)板、下環(huán)板與斜向筋的組合焊縫）。焊接中環(huán)板、上環(huán)板對接縫時(shí)，先進(jìn)行最中間層中環(huán)板焊接，按要求在仰焊處氣刨開坡口并將雜質(zhì)打磨干凈，再進(jìn)行背縫處平焊氣刨清根，其它層上、中環(huán)板方法和順序與最中間層類似相同。

在焊接下環(huán)板與斜向筋的組合焊縫時(shí)，每人對稱同時(shí)同層按照同一方向進(jìn)行跳焊。先在下面仰焊約3層焊道，然后在上面氣刨清根并打磨干凈后，平焊3～4層，再仰焊、平焊交替進(jìn)行，具體根據(jù)變形情況調(diào)整仰焊、平焊的焊接順序。此層下環(huán)板與斜向筋的焊縫全部焊完后，先進(jìn)行焊縫外觀檢測和抽樣PT檢測，合格后進(jìn)行整體局部熱處理，隨后再進(jìn)行100%UT和100%PT，合格后再進(jìn)行其它上環(huán)板、中環(huán)板與斜向筋的焊接。

在焊接過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，采用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀對各環(huán)板、斜立筋等平面度、垂直度進(jìn)行測量，以及各環(huán)板內(nèi)徑、外徑等變化，根據(jù)檢測結(jié)果和變形情況適當(dāng)調(diào)整焊接的位置和順序（焊接過程控制很關(guān)鍵，對于控制定子機(jī)座尺寸變形非常重要）。

對每層環(huán)板內(nèi)外圈都預(yù)留二次切割余量，采用分層對稱的焊接方式，利用水平儀或全站儀全過程焊接監(jiān)控下環(huán)板水平變化，隨時(shí)調(diào)整焊接順序的方式保證下環(huán)板水平度;焊后對平面度超標(biāo)的位置采用自制大型環(huán)形銑刀裝置（加工半徑可達(dá)到15米）進(jìn)行平面二次加工。

作為國內(nèi)外首臺單機(jī)容量百萬級定子機(jī)座，其焊縫外觀要求極為嚴(yán)格，要求仰焊外觀和平焊外觀一樣，將采用G系列全數(shù)字MIG/MAG焊機(jī)和機(jī)械臂組合進(jìn)行焊接，智能焊接云管理系統(tǒng)對焊接過程參數(shù)電腦全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控管理，來保證焊接外觀及內(nèi)部質(zhì)量。

3.5.2 焊接質(zhì)量的控制措施

3.5.2.1 對未經(jīng)工藝評定的鋼材和焊材進(jìn)行焊接工藝評定。

3.5.2.2 對主要部件的焊接編制專門的焊接工藝指導(dǎo)書，并在焊接前組織技術(shù)交底。

3.5.2.3 嚴(yán)格焊條烘烤使用管理制度，要求焊工隨身攜帶已通電的保溫筒。

3.5.2.4 嚴(yán)格按焊縫級別進(jìn)行焊接質(zhì)量檢查，并根據(jù)檢查結(jié)果分析焊接工藝的可行性和調(diào)整焊接工藝。

3.6 定子機(jī)座二次放樣及切割

由于定子機(jī)座制造公差要求較高，為保證各層環(huán)板內(nèi)徑公差，減少壁板在焊接過程中對變形的影響，以塔架升降式基準(zhǔn)架上圓心為基準(zhǔn)，對每層環(huán)板進(jìn)行二次放樣切割環(huán)板內(nèi)外徑，以此來滿足環(huán)板內(nèi)徑要求，及控制外壁板的拼裝間隙。

3.7 定子機(jī)座運(yùn)輸

定子機(jī)座在廠內(nèi)整體拼焊，分九瓣運(yùn)輸，單瓣為超大件（運(yùn)輸尺寸7.5m×6.7m×2.2m），采用設(shè)計(jì)工裝臥式進(jìn)行包裝運(yùn)輸。

4 結(jié)語

在先進(jìn)的焊接設(shè)備、加工設(shè)計(jì)及檢測儀器有力保障下，通過對拼裝工藝、加工工藝、焊接工藝等關(guān)鍵技術(shù)工藝實(shí)施后，定子機(jī)座制造質(zhì)量完全滿足白鶴灘精品工程要求，對后續(xù)巨型電站的定子機(jī)座制造技術(shù)奠定了成熟、可靠的基礎(chǔ)保證。

作者簡介：劉同兵（1979-），男，本科，主要從事水電站鋼結(jié)構(gòu)及橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造與安裝技術(shù)管理工作。