广州抽水蓄能电厂A厂导叶加工工艺简析

王 慷，刘功亮，罗 杰

（南方电网调峰调频发电公司检修试验中心，广东 广州 511400）

0 引文

广蓄A厂1号及3号机组自投入运行至本轮大修时已经分别运行21年及22年，根据检修规划，在 2014年10月至2015年2月、2016年 9月至2017年1月间分别对1号机组及3号机组进行了第二轮大修。此次大修过程中发现导叶轴颈存在偏磨及偏心，导叶端面及两端圆面与上下抗磨板磨损导致导叶端面及两端圆面损伤。大修过程中，决定对导叶轴颈进行车圆，导叶端面补焊后车削。因此将补焊后导叶送至广船大型机械设备有限公司进行加工。导叶示意图见图1。

图1 导叶示意图

1 导叶及轴套基本情况

广蓄A厂导叶转角范围为0～26.6°，相应开度范围为0～268 mm，导叶的拆卸采用下拆方法，即拆除底环后，将导叶落至蜗壳层吊出。导叶上轴套及中轴套共用一个套筒，上轴套及中轴套分别在套筒两端，下轴套有独立的下套筒，轴套与套筒均采用过盈配合。主要尺寸和材料如表1：

表1 导叶及轴套主要尺寸

2 导叶损伤情况及原因分析

导叶加工前，对导叶整体情况进行检查，主要存在损伤有：①导叶轴颈偏磨；②导叶上下端面刮伤；③叶片两端圆面刮伤。导叶在加工过程中，定导叶中心时发现导叶轴存在不同程度的扭曲偏折。

2.1 导叶轴颈偏磨

导叶轴颈偏磨的主要原因有两点：①导叶上中下轴套不同心；②导叶启闭时径向水推力；③轴套脱层后单边挤压。

导叶三个轴套不同心时，导叶三个轴颈在圆周上间隙不均匀。当上中下轴套中的两个轴套的偏心量大于等于导叶与轴套间隙时，导叶轴处于憋劲状态，即导叶两个轴颈上有一段分别贴紧两个对应轴套上的对应位置（两个贴紧位置法线角度在90°～180°之间）。导叶启闭时，轴颈与轴套贴紧位置磨损加剧，而轴套磨损位置相反方向则无磨损，长期作用下导叶轴套及轴颈因磨损不均匀而出现偏磨。此外，导叶轴在长期受力作用下会以两个轴套贴紧位置为支点出现导叶轴线扭曲偏折。

导叶在关闭状态时叶片蜗壳测水压为5.5 MPa左右，水轮机侧水压为0.7 MPa。导叶在水压作用下向水轮机方向靠拢。导致轴颈贴紧轴套，且受到挤压压力，导叶启闭时，贴紧位置出现磨损。

广蓄A厂4台机组使用TLMM及TXMM尼龙材料轴套，该轴套存在吸水膨胀且容易松散脱层的缺陷。轴套松散脱层后，脱出的尼龙材料与轴颈互相挤压，导致启闭时挤压位置磨损。

2.2 导叶端面刮伤

导叶端面刮伤是导水机构常见的故障之一，导叶端面刮伤主要由端面夹渣及止推间隙过小导致。

广蓄A厂水轮机导叶及抗磨板分别采用法国牌号 Z5CN1204（00Cr12Ni4）及 Z10C13（1 Cr13）马氏体不锈钢材料。马氏体不锈钢有高强度、高硬度、韧性强等特征，但耐腐蚀性较差。机组运行时，导叶与抗磨板之间会有细小砂石夹杂，导叶启闭时导叶及抗磨板端面会出现刮伤。由于不锈钢材料韧性好的特征，刮出的不锈钢材料不会折断，在导叶不断启闭过程中，刮伤区域不断扩大。

机组运行过程中导叶受到轴向水推力的作用，导叶有向上窜动的趋势。止推环磨损后止推间隙大于上端面间隙时，导叶上端面与抗磨板贴紧导致刮伤。刮伤位置由于不锈钢夹杂，将导叶向未刮伤端面挤压，从而导致上下端面同时出现刮伤。

2.3 叶片两端圆面刮伤

与轴颈偏磨同理，叶片在蜗壳侧水压力作用下挤向水轮机侧，叶片圆面与抗磨板导叶孔贴紧，导叶启闭过程中导致刮伤。1号、3号机组大修中对40个导叶叶片圆面进行检查，都是靠近水轮机侧圆面出现大面积刮伤。

3 导叶损伤位置补焊

导叶端面与叶片两端圆面采用相同的焊接工艺，使用φ2.0 mm的ER410NiMo不锈钢焊丝进行氩弧焊。焊接前对磨损位置进行打磨处理，将刮伤、气蚀导致的损伤区域打磨掉露出母材。

焊接时使用对称焊法避免局部温度过高导致应力集中及焊接变形。如图2所示为导叶大头端面焊接顺序示意图，焊接顺序为1-2-3-4-5-6，按照此顺序逐步向中间靠拢。焊接时使用测温枪测量距离焊点30 mm处的温度，当母材温度高于100℃时停止焊接，冷却后方可继续进行。焊接方法及要求见表2。

表2 导叶焊接其他要求

第一层堆焊后，如果导叶高度及圆面直径不能达到要求数据，则在第一层堆焊层冷却至常温后再堆焊第二层，直至导叶端面及圆面有足够加工余量。

4 导叶补焊后车削

导叶车削加工前定中心时，检查发现导叶轴存在不同程度的扭曲及偏折。导叶的扭曲及偏折分为两段，上轴颈与中轴颈之间为第一段，中轴颈与下轴颈之间为第二段，20个导叶两段的扭曲偏折方向均不相同，在360°圆周方向随意分布。导叶扭曲偏折的原因与轴颈偏磨原因相同，在轴套不同心、水推力及轴套脱层挤压的共同作用下，导叶依据受力情况的不同呈现不同方向不同程度的扭曲偏折。

由于导叶扭曲偏折，轴颈车削时需要重新定导叶中心，常用的定中心方法有一点对中和两点对中两种。一点对中以导叶上轴颈上方50 mm处未磨损点作为基准点，调整卡盘使导叶旋转时该位置百分表读数不变，即认为导叶旋转中心与导叶中心重合，以此中心对导叶其余位置进行车削即可。

两点对中相较一点对中要更加复杂，即采用上轴颈上方50 mm处和下轴颈下方未磨损位置两点进行对中。方法为调整卡盘及打磨尾座顶针支撑位置满足上述两点在导叶旋转时读数均不变。以上述两点的中心的连线作为导叶中心线及车床旋转中心线。由于存在轴颈偏磨及偏折，上下两点不能完全对中，可以采用打磨导叶尾座顶针孔进行调整，要求上轴颈上方50 mm处和下轴颈下方未磨损位置旋转时百分表读数尽可能小，不超过0.05 mm。

一点对中与两点对中相比，一点对中更加快捷方便，上轴颈的车削量可以控制到最小，但是中轴颈及下轴颈车削量较大，尤其是下轴颈存在较大的过车量；两点对中调整起来更加困难，采用两点对中上轴颈及下轴颈的车削量可以得到有效控制，下轴颈车削量较小，但由于不能完全对零，上轴颈车削量略大于一点对中；由于避免了导叶夹持倾斜，中轴颈的车削量略小于一点对中。

加工中，广蓄1号机组导叶加工采用了一点对中，3号机组导叶加工采用两点对中，两台机组导叶车削前对中数据及车削量数据见表3：? 由于车削前个别导叶存在严重偏磨及刮伤，不具有代表性，故剔除车削量差值0.15 mm以上的采样点。结合表3数据分析可以得出，1号机组及3号机组上轴颈车削量基本相同，1号机略小于3号机；中轴颈车削量相同，综合20个导叶分析后车削量均值相同；下轴颈车削量1号机组略小于3号机，但由于检修前3号机组测量下轴颈偏磨比1号机组严重，3号机下轴颈车削量相较1号机得到了更好的控制。

表3 1号机及3号机导叶轴颈车削量对比 单位：mm

轴颈车削时，由于轴颈在密封位置磨损量较大及个别位置偏磨严重，轴颈整个车圆时车削量超过或接近轴套加工裕量（轴套内径加工裕量0.50 mm），因此车削时在轴颈圆周方向超过2/3的位置车圆或者轴颈上存在宽度超过100 mm的完整圆面时，该轴颈加工合格。

导叶轴颈车削完成后进行导叶端面补焊区域车削，车削时为了避免导叶叶片离心力引起的导叶变形，车床回转速度控制在60 r/min以下，车削时从大头外缘开始进刀，逐步车削到叶片根部。为了保证补焊区域和未补焊区域平整度达到要求，车削时对整个面进行车削，未补焊位置车削量控制在0.02 mm以内，避免车削过多导致导叶高度不足。

5 结语

本文对广蓄1号及3号机组导叶加工进行了分析研究，依据马氏体不锈钢的特性，制定了导叶端面及圆面的焊接方法，同时加工发现并判断出导叶轴颈的中心线呈折线状且测量出导叶偏心量，确保了导叶加工精度，这一方法可推广至其他同类型导叶和类似导叶乃至长轴型部（零）件轴线偏心的判断及测量。同时，导叶轴颈车削的方法可对后续机组部件的加工有借鉴和指导意义。

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