白鶴灘定子機座制造關鍵技術研究

劉同兵?徐先林

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

關鍵詞：定子機座;百萬千瓦級;精品;最高;關鍵技術

1 前言

白鶴灘發電機定子機座外形尺寸為φ20.7m×7.7m，單套重量為249t，最大板厚125mm，最薄板厚15mm，整個定子機座分成18個斜立筋和9層環板組成，層間用筋板串聯焊接，制作加工后，分瓣發貨，現場組焊成整體，分9瓣運輸，單瓣尺寸為：7.5m×6.7m×2.2m，為超大件運輸。百萬千瓦級水輪發電機組定子機座為環形薄壁結構，且結構尺寸大，焊接過程容易變形，加工精度要求及高。各環板內徑公差在-1至+3mm，支墩與基礎板基準面平行度為0.2mm。其下環板周向平面度為1mm，徑向平面度為2mm，整體平面度6mm，斜立筋垂直度2mm，下基礎板平面至下環板平面度公差為±3mm。

2 工藝流程

根據上述工藝流程可分析確定定子機座制作關鍵技術主要有：（1）定子機座板厚最大達到125mm，且多為異形板下料，下料尺寸及精度保證尤為重要。（2）由于定子機座下環板平面度要求較高，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，無法監控及控制定子機座整體焊接變形，需考慮采用全自動焊接機械臂焊接方式進行焊接，電腦云系統全過程實時監控的方式來保證。（4）結構尺寸大，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）定子機座單瓣尺寸較大，為超大件運輸，需采用有效的工裝包裝運輸。

3 關鍵技術措施

3.1 超厚板下料及坡口制備技術

由于定子機座板最大板厚達到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，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控機床下料，下料后采用特制坡口導向裝置半自動切割機制備坡口，以此工藝保證質量。

3.2 零部件成型工藝

為保證定子機座整體成型尺寸滿足要求，對于部分零部件下料后需進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，搭設高精度平臺，采用特制工裝，提高零部件成型后的精度。

3.2.1 下環板預制

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

調整合格后先進行一次預加工平面，定子機座整體平焊完成后，對于下環板平面度超標位置采用自制大型環形銑刀裝置（加工半徑可達到15米）進行平面二次加工。

3.2.2 斜立筋預制

將在件1（上板）、件2（板）、件3（下板）放置于平臺上，分別劃出基準點和中心線及裝配位置線，然后將板放置于工裝平臺上，調整其平面度≤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，接著進行上板拼裝，由于上板與板成一定角度（33.48°），拼裝時應保證其角度及位置準確，定位后采用角度尺等工具進行復查，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拼裝加固支撐板，拼裝完成應對其進行編號，其拼裝示意圖如下。

拼裝合格后進行退火，出爐后對其焊縫再次進行檢查，將斜立筋放置工裝平臺上，以板為基準進行調平，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點（不少于3點），按照正公差極限劃出加工基準點。

3.3定子機座機加工技術

3.3.1 下環板加工

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

定子機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，采用自制大型環形銑刀裝置（加工半徑可達到15米）進行平面二次加工。

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，按加工基準點進行校正斜立筋與刀盤角度并進行加固與夾緊，校正合格后按加工基準線余量線粗、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。

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

3.3.3 對機加工質量檢查

3.3.3.1 對主要機加工部件編制機加工工藝指導書，并對操作工人進行技術交底。

3.3.3.2 要求操作人員嚴格按照工藝指導書操作，并加強加工前后與加工過程中的檢查控制。

3.4定子機座拼裝工藝

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

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

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

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

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

待檢查合格后，焊接前必須對個各焊縫進行全面加固，長度不低于80mm。，在斜立筋上板上安裝起吊裝置，向下環板中插裝斜立筋（注意：上、下斜立筋要用工具螺釘擰緊）。調整斜立筋的垂直度、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角鋼進行固定，焊角尺寸10mm。斜立筋與下環板間搭焊固定。

3.5 定子機座焊接技術、焊接變形控制

3.5.1 焊接變形控制措施

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

在焊接下環板與斜向筋的組合焊縫時，每人對稱同時同層按照同一方向進行跳焊。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、平焊交替進行，具體根據變形情況調整仰焊、平焊的焊接順序。此層下環板與斜向筋的焊縫全部焊完后，先進行焊縫外觀檢測和抽樣PT檢測，合格后進行整體局部熱處理，隨后再進行100%UT和100%PT，合格后再進行其它上環板、中環板與斜向筋的焊接。

在焊接過程中實時進行監測，采用水準儀、經緯儀對各環板、斜立筋等平面度、垂直度進行測量，以及各環板內徑、外徑等變化，根據檢測結果和變形情況適當調整焊接的位置和順序（焊接過程控制很關鍵，對于控制定子機座尺寸變形非常重要）。

對每層環板內外圈都預留二次切割余量，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控下環板水平變化，隨時調整焊接順序的方式保證下環板水平度;焊后對平面度超標的位置采用自制大型環形銑刀裝置（加工半徑可達到15米）進行平面二次加工。

作為國內外首臺單機容量百萬級定子機座，其焊縫外觀要求極為嚴格，要求仰焊外觀和平焊外觀一樣，將采用G系列全數字MIG/MAG焊機和機械臂組合進行焊接，智能焊接云管理系統對焊接過程參數電腦全過程實時監控管理，來保證焊接外觀及內部質量。

3.5.2 焊接質量的控制措施

3.5.2.1 對未經工藝評定的鋼材和焊材進行焊接工藝評定。

3.5.2.2 對主要部件的焊接編制專門的焊接工藝指導書，并在焊接前組織技術交底。

3.5.2.3 嚴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 嚴格按焊縫級別進行焊接質量檢查，并根據檢查結果分析焊接工藝的可行性和調整焊接工藝。

3.6 定子機座二次放樣及切割

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

3.7 定子機座運輸

定子機座在廠內整體拼焊，分九瓣運輸，單瓣為超大件（運輸尺寸7.5m×6.7m×2.2m），采用設計工裝臥式進行包裝運輸。

4 結語

在先進的焊接設備、加工設計及檢測儀器有力保障下，通過對拼裝工藝、加工工藝、焊接工藝等關鍵技術工藝實施后，定子機座制造質量完全滿足白鶴灘精品工程要求，對后續巨型電站的定子機座制造技術奠定了成熟、可靠的基礎保證。

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