立式水电机组大轴法兰连接工艺改进

程兴智 赵小丹 胡伟 宿杨

摘 要：大轴法兰连接传统工艺是利用吊车通过拽拉钢丝绳使螺栓逐渐拧紧，作业过程费时费力，工作效率低，且工作危险性较大。为解决此问题，通过设计一套专用工具，以上法兰面为支撑点，利用油压千斤顶将转轮和水轮机主轴直接顶起，消除其缝隙，然后利用液压扳手使螺栓逐渐拧紧。新工艺提高了工作效率，节约了大量的人力和物力，保证了作业安全和作业质量，同时还可用于其它水电机组，具有广泛的应用前景。

关键词：传统工艺；新工艺 ；大轴法兰；专用工具

中图分类号：TM31 文献标识码：A

云峰发电厂是位于鸭绿江上的一座中朝两国合资兴建、共同受益、中方管理的大型水电站。厂内共装有4台单机容量10万kW的立式混流式机组，水轮机轴与发电机轴、水轮机轴与转轮均采用法兰连接，共有连接螺栓40个，单个螺栓重达55kg。4台机组自投产至今，已运行46年，按规程要求的8年一次A级检修，期间已进行A修工作数台次。每次机组A修，水轮机轴与发电机轴连接法兰必须分解，经处理后再连接，由于螺栓尺寸大、重量重，又是销钉螺栓，配合间隙极小，又有预紧力的要求，给大轴法兰的分解和连接工作带来了很多难题，特别是大轴法兰连接时上下法兰的合缝问题，一直是亟待解决的难题。

1 传统连接工艺简介

1.1 工艺过程

当大轴法兰清扫完毕后，转子回吊，两大轴法兰相距10-15mm时，对称穿入4个销钉螺栓（起引导作用），待止口进入后，将转子回落到风闸上，然后带上螺帽。 按照图1所示，设置轮滑、扳手、钢丝绳，利用桥式起重机通过拽拉钢丝绳使螺栓逐渐拧紧。

由于转子回落到风闸后，上下法兰之间要留有5-9mm的缝隙，加之连接螺栓为销钉螺栓，螺栓与法兰孔洞配合间隙极小，要合上上下法兰之间的缝隙，需要对称拧紧4个引导螺栓，使缝隙逐渐变小直至为零。使用的专用扳手重量达60kg，要合上此缝隙，需要倒用扳手和滑轮多达80次，历时4个小时，不仅浪费人力也浪费时间。

大轴法兰缝隙为零后，穿入其它16个螺栓，设上螺栓伸长值测量工具，依次拉紧至规程规定的伸长值。此过程又要耗费近3个多小时，待16个螺栓全部合格后，采用同样的方法将4个引导螺栓拉松，设上测量工具，重新拉紧至规程规定的伸长值。 至此，大轴法兰连接工作才算正式完成。

1.2 传统工艺的弊端

（1）工作危险性较大。拉紧螺栓的过程中，容易发生钢丝绳断裂、轮滑崩裂、扳手折断的情况，可能造成人身伤亡或设备损坏事故。2010年，云峰发电厂3号机组A级检修过程中，就发生了扳手折断现象，差点酿成事故。

（2）过程繁琐，费时费力。整个连接过程耗时7个多小时，频繁倒用60kg的专用扳手和轮滑100多次，4个引导螺栓拉紧后还得拉松再拉紧，间接增加了8个螺栓的工作量。

（3）在上下法兰合缝环节中，由于频繁倒用专用扳手或轮滑，容易导致杂物进入法兰结合面，降低法兰连接质量，造成主轴弯曲度过大，导致机组摆度过大。

2 新工艺简介

2.1 技术核心

新工艺的技术核心：当转子回吊，上下法兰相距10-15mm时，对称穿入4个引导螺栓，并装设4套专用工具（见图2，具体布置方式见图3），以上法兰为支撑面，利用8台油压千斤顶，将转轮和水轮机主轴直接顶起，直至间隙为零，然后使用液压扳手按顺序直接将4个引导螺栓拧紧至规定伸长值，卸下工具，穿入其它螺栓，按顺序将各个螺栓拧紧至规定伸长值即可。

2.2技术依据

根据新工艺的特点，专用工具的设计和制作，油压千斤顶及液压扳手的选取是关键。根据图2可见，转轮和水轮机主轴顶起后，全部重量通过千斤顶传递到专用工具底座，再通过中心螺杆1传递到上法兰，因此中心螺杆的强度要求很高，且螺杆不易太粗以致加重工具重量。为此应根据机组转轮和水轮机主轴的重量，选取合理的中心螺杆，选取合适的油压千斤顶。

下边以云峰发电厂3号机组为例，介绍中心螺杆直径的确定方法及油压千斤顶的选取方法。

经查阅资料得知，3号机转轮重量G1=38.7t，主轴重量 G1=22.171t。

G总=G1+G2=60.872t

Fz=G总×1000×9.8=60.872×1000×9.8=596545.6N

考虑到止口及销钉螺栓存在一定的摩擦力，故总载荷：

F总=K*FZ

取系数k=1.5，可得：F总=K*FZ=1.5 ×596545.6=894818.4N

（1）中心螺杆直径的确定

由于设置四套工具，故单个螺栓承受的轴向载荷为：

FC=K*FZ/4=1.5×596545.6/4=2223704.6N

中心螺杆的材质选取45#钢，查的σs=360MP。

根据公式：

其中SS为安全系数，一般取1.7。

求得：

根据GB/T196-2003，选择M42螺栓，即可满足要求。

（2）油压千斤顶的选取

根据转轮重量和水轮机轴重量，可选择8台同种型号的25吨油压千斤顶即可。

（3）底座和顶座的选取

根据转轮重量和水轮机轴重量，底座采用厚度为20mm钢板焊接成工字结构，顶座采用直径为φ180mm的圆钢制作。详见下图2。

（4）液压扳手的选取

根据螺栓大小和预紧力的要求，选择合适的液压扳手。

根据以上的计算结果，可知此种工艺是切实可行的。

3新工艺实施方式

3.1 附图说明

图2为专用工具结构图。1为中心螺杆，2为螺帽，3为顶座（具有承重、限位双重作用），4为下部限位机构，5为油压千斤顶，6为底座。（全部重量均通过它传递到中心螺杆上，在传递到上法兰。）

图3为专用工具及引导螺栓平面布置图。图中1号、6号、11号、16号孔穿入引导螺栓（也可选取其他4个对称的孔），3号、9号、13号、19号孔为专用工具设置位置。

图4 为专用工具安装示意图。

3.2具体实施方式

下面结合附图，详细介绍一下新工艺的具体实施方式。

（1）参照图3，穿入1号、6号、11号、16号销钉螺栓，作为引导螺栓，旋上螺帽。

（2）参照图4，设置专用工具，专用工具设置在3号、9号、13号、19号，将各台油压千斤顶压至刚使力为止。

（3）安排一人作总指挥，每台压机各安排一人操作，听从总指挥指令，同时操作，使压机同步上升。总指挥时刻检查测量圆周各部位缝隙大小，适当调整，使缝隙慢慢合上，直至间隙为零，用0.05mm塞尺测量不通过为合格。目前市场已有1拖8的新型油压千斤顶，使用此种千斤顶，可保证上升过程中千斤顶始终同步，更加可靠稳定。

（4）将4个引导螺栓用千斤顶顶靠，用专用扳手将螺帽拧紧。

（5）4个引导螺栓底部打入楔铁，并用电焊点死，使螺栓不能旋转。

（6）装上伸长值测量工具，用液压扳手按顺寻将4个螺栓拧紧至规程规定的伸长值。

（7）4个螺栓全部拧紧后，卸下专用工具，穿入其他16个大轴螺栓，用千斤顶顶靠，并用专用扳手将螺帽拧紧。

（8）16个螺栓底部打入楔铁，用电焊点死，保证拉螺栓过程中螺栓不旋转。

（9）按照步骤（6），按顺序将16个螺栓拉紧至规程规定的伸长值。

（10）回装保护罩，清洁现场，连接工作结束。

4 新工艺的优点

（1）使用专用的液压扳手松紧螺栓，取代了吊车松紧螺栓法，避免了钢丝绳断裂、轮滑崩裂、扳手折断的情况的发生，消除了隐患，提高了工作的安全性。

（2）通过设计专用工具解决了上下法兰的合缝问题。传统工艺仅法兰合缝就需要4个小时，采用新工艺，上下法兰合缝仅需要10分钟时间，大大的提高了工作效率。合缝后，可直接将4个引导螺栓拉紧至规程规定的伸长值，较传统工艺间接减少了8个螺栓的工作量。

（3）使用专用工具连接法兰，缩短连接时间的同时，降低了杂物进入法兰结合面的可能性，提高了法兰连接质量。

（4）采用传统工艺拉紧一个螺栓需要10分钟左右的时间，采用液压扳手拧紧螺栓仅需3分钟时间，大大的提高了工作效率。另外，无需再浪费人力来频繁倒用专用扳手、轮滑等，节约了人力和物力。

结语

大轴法兰连接工艺改进后，减少了8个螺栓的工作量，大大的缩短了工作时间，以前3个小时的合缝工作，现在仅需10分钟，大大的提高了工作效率，节省了大量的人力和物力，为云峰发电厂创造了一定的经济效益。2013年5月，3号机A级检修中，首次采用了新型连接工艺，机组恢复运行至今已有一年时间，大轴各部位的摆度和振动均满足规程要求。实践证明，新型工艺是可行的、也是可靠的。

新工艺不仅可以用于水轮机轴与发电机轴的连接，也可用于水轮机轴和转轮的连接。新工艺不仅仅适合于云峰发电厂的机组，也适合于其它立式水电机组，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（I）第五版.北京：高等教育出版社，2009.

[2]张诚，陈国庆.水轮发电机组检修[M].北京：中国电力出版社，2012.

作者简介：程兴智：单位名称：云峰发电厂；性别：男 籍贯：河南省洛阳市；出生年月：1984.10；研究方向：热能与动力工程专业（水动方向）；目前学历：硕士研究生；毕业学院：华北水利水电大学；现有职称：工程师。