桨叶空心联接螺栓内置加热工艺优化

何亚文，罗红祥，朱红平，刘峰

桨叶空心联接螺栓内置加热工艺优化

何亚文，罗红祥，朱红平，刘峰

（近尾洲水电厂，湖南 衡阳 421127）

本文对近尾洲水电厂1号机组A修中桨叶空心联接螺栓拆装工艺过程、遇到的问题及解决办法进行了介绍，对空心螺栓内置加热工艺进行了探讨、研究及总结，积累的经验对同类型电厂具有参考意义。

近尾洲水电厂；灯泡贯流式机组；桨叶联接螺栓；加热棒；转轮；空心螺栓内置加热预紧法

1　引言

近尾洲水电厂位于湘江中游，地处衡南、常宁、祁东、祁阳四县交界处，距衡阳市公路75km，是湘江干流开发规划中的第五级电站。近尾洲水电枢纽工程水库总库容4.6亿m3，正常蓄水位66m，坝顶高程76m，安装有3台由奥地利制造的灯泡贯流式水轮发电机组，设备由奥地利VA-MCE和ELIN公司联合提供。单机容量为21.06MW，总装机容量63.18MW，设计年发电量2.92亿kW·h。首台机2000年12月投产，2002年2月3台机组全部投产发电。

2　结构简介

2.1转轮结构

近尾洲水电厂转轮型号为3KR4/63。转轮为4叶片的卡普兰式转轮,转轮直径为6.3m。主要由桨叶、转轮体、浆叶枢轴、浆叶转臂、浆叶双联板机构、轮叶接力器、轮叶密封、泄水锥及泄水锥帽等部件组成。

桨叶与转轮体间为双支承结构形式，每片桨叶与桨叶转臂、桨叶枢轴通过6颗M90螺栓及2颗φ90圆柱销钉联接组成牢固整体，其螺栓主要承受拉应力的作用、圆柱销定位及传递扭矩及承受剪应力。

2.2螺栓结构特点

桨叶联接螺栓采用50CrMo4V的高强度合金钢锻造、通过调质热处理后加工而成，为空心螺栓结构形式、非标产品。安装时需采用空心内置加热法，将加热棒塞入螺栓中心孔使螺栓快速受热膨胀，使其产生与所连接部件的膨胀差，然后按预定角度旋紧螺栓头部，通过专用测量杆上百分表测量冷态下前后螺栓长度值，差值即为伸长值，达到设计或计算值即可。其结构形式和测量方式如图1所示。

图1　螺栓结构及伸长量测量

桨叶联接螺栓相关技术参数如表1所示。

表1　桨叶联接螺栓技术参数

3　装置改进及工艺优化

在水轮发电机组的安装和检修工艺中，为保证联接件的可靠性，螺栓的紧固力应满足设计值要求。螺栓紧固过程中，同一组合面各螺栓预紧力必须保持一致，并要对称拧紧，避免机件歪斜和螺栓受力不均[1]。

3.1存在的问题

目前在水轮发电机组大件螺栓的紧固方式中，主要采用冷紧固和热紧固两种方式。冷紧固主要有液压拉伸器紧固、力矩扳手紧固；热紧固主要有火焰加热、电加热方式。热紧固相对冷紧固而言，操作相对复杂，操作时如果温度过高可能导致螺栓发生退火反应，降低螺栓强度。因而空心内置加热法需做好前期准备工作、严格工艺过程，避免操作失误。通过对同类电厂桨叶联接螺栓拆卸工艺的了解，拆卸过程常存在一些问题：拆卸时螺栓出现咬死现象，螺栓无法拆卸，为避免损坏螺孔，不得采取气刨螺栓头部，尔后在工厂将断死取出的方式；部分螺栓加热温度过高，加热温度需达到600℃以上将螺栓拆卸；加热棒常出现损坏现象。

近尾洲电厂2012年10月将开展1号机组A级检修工作，根据计划对转轮进行解体检查，因而需对桨叶联接螺栓进行拆卸。桨叶联接螺栓为非标螺栓，螺栓数量多，而且价值昂贵。如果拆装不当，导致螺栓丝扣损坏，不仅会延长检修工期，而且会增加检修成本。

3.2装置及工具优化改进

3.2.1问题研究及分析

为确保螺栓拆卸工艺合理、对同类型电厂的螺栓加热工艺过程、加热装置结构，近尾洲电厂外方遗留加热棒进行深入研究，对拆卸过程存在的问题进行探讨，得出如下分析结论：

（1）加热棒加热区不合理，加热区延伸至螺孔区域，对螺纹部分进行了加热，将导致螺纹咬死。加热时加热棒加热区处于螺纹配合区间，而螺孔处于转臂上，转臂体积庞大及金属的导热性好等因素将导致螺孔上热量迅速消散，导致螺栓螺纹部分受热径向和轴向膨胀而螺孔未发生膨胀，导致咬丝发生。

（2）螺栓加热温度过高，将导致螺栓强度降低。合金钢50CrMo4v调质时高温回火温度为590±10℃，如螺栓加热温度超过其回火温度，金属组织发生退火，螺栓硬度降低及材料软化。

3.2.2加热棒优化改进

（1）加热棒加热区优化

为避免加热棒加热区部分对螺纹进行加热，将加热部分控制在中间光杆部分，将加热区由原来长250mm调整为200mm。并对螺栓伸长量进行复核。

加热时伸长值计算公式：

△L=（T1-T2）×l×f（1）

式中△L：加热时伸长值，单位mm；T1：螺栓加热温度，296℃；T2：室温，取20℃；l：加热区长度，取200mm；f：螺栓热膨胀系数，合金钢材料一般取0.0000131/℃。

计算得伸长值△L=0.72mm>0.66±0.05mm。

由于热传递作用，螺栓非加区亦有一定量膨胀，实际加热时伸长值应大于0.72mm。因而加热区调整为200mm可达到预期的伸长值。

螺栓结构图及优化前后的加热区域如图2所示。

图2　螺栓结构图及优化后的加热区域

（2）加热棒外径改进

实测原外方制作加热棒直径为25.75～25.80mm；外方提供螺栓图纸技术要求为中心加热孔孔径为26±0.2mm，同时需保证所有螺栓中心孔径偏差小于0.05mm。由于加热棒为细长杆，加热时温度升高或放置方式等原因均可能导致其加热棒变形，如螺栓生产厂家对螺栓中心孔按下偏差控制，加热棒一旦发生轻微变形将无法放入孔中。因而将加热棒外径尺寸改为25.6±0.05mm。

4　螺栓安装工艺

4.1安装准备

安全前确认螺栓检修工艺到位，将所有螺栓的初始值进行测量，并进行记录；测量时必须检查测量杆上百分表安装牢固无松动、并用一颗备品螺栓做校验。在测量螺栓初始间距值前，将测量杆放入备品螺栓中心孔中测量其间距值，并记录。所有螺栓初始间距值测量完毕后，再测备品螺栓，确认百分表无松动。

4.2工艺确定

为达到预期的加热目的，采用转角法控制，用测量外圆弦长的方式确定转动角度，用测量冷态螺栓伸长值控制预紧力。

螺栓转角按下式计算：

式中Φ—螺母转角，°；P—螺纹螺距，取3mm；△L—螺栓的计算伸长值，mm。

将角度转换为对应圆周上的弦长：

式中S—弦长，mm；

R—外圆半径，88mm

简化公式得：

4.3螺栓安装

（1）桨叶已安装就位，对桨叶根部用铜棒进行锤击，尽量消除法兰面间隙；

（2）加热时，应先对称加热两边螺栓，后加热中间螺栓，测量螺孔内法兰间隙，并做好记录，螺孔内涂上BostikNeverseez螺纹防卡剂；

（3）穿入两侧螺栓，用大锤和扳手轻微打紧，用专用测量杆复测间距值；

（4）确定弦长。伸长值=螺栓设计伸长值+法兰面间隙值，一般取法兰面间隙的平均值，根据伸长值查得弦长。用圆规在钢板尺上截取弦长，在桨叶螺孔外圆上做好标记；

（5）将加热控制装置超温报警保护设置为560℃，控制温度设定为530℃，并在加热棒上均匀涂抹一层BostikNeverseez螺纹防卡剂，将加热棒插入螺栓中心孔中；

（6）加热紧固第一组螺栓1号和6号，加热完毕后，继续加热紧固第二组螺栓3号和4号，待螺栓完全冷却后测量冷态下的螺栓紧固间距值，计算出螺栓伸长值应为设计伸长值，如存在差异，应根据偏差重新加热调整至合格值；

（7）测量中间处螺孔法兰面间隙，应用0.02mm无法完全通过；

（8）加热第3组螺栓2号和5号，待螺栓完全冷却后测量冷态下的螺栓紧固间距值，计算螺栓净伸长值应为设计伸长值，如存在差异，应根据偏差按表3进行重新加热调整至合格值；

（9）部分桨叶安装数据记录如表2。

4.4经验总结及工艺优化

螺栓安装时，伸长值的确定是最大的难点。由于螺栓螺纹制造精度、法兰面受力变形、法兰面间隙的影响，在安装过程中，根据按理论值进行计算得出的弦长S无法一次性达到安装要求，与实际偏差甚远，导致安装时反复进行螺栓的加热。第一片桨叶安装时间长达3d。经过多次加热过程的数据测量分析，得出弦长经验值：当间隙在0.05mm以内时，加热两侧螺栓时弦长均取140mm，加热中部螺栓时弦长均取137mm；如间隙超过0.05mm，则弦长需增加间隙部分的值。采用根据得出的经验值对安装方式进行了改进，安装效率得到提升，1d即可完成了2片桨叶的安装工量作，且基本上一步安装到位。

螺栓间距测量时应加强对测量杆上百分表的保护，每次测量完毕后用备用螺栓对测量杆百分表进行校对，避免误动表计而导致安装时数据失真。

表2　桨叶螺栓安装测量记录

5　结束语

通过对桨叶空心联接螺栓内置加热工艺的探讨、研究及总结，对相关工艺流程、工具进行了优化改进，提升了工作效率，保证了桨叶联接的牢固可靠性、螺栓强度安全性及操作工艺便捷性，为以后其他机组的检修提供了重要的参考和理论依据。

[1]盛国林，胜国林，叶青.水轮发电机组安装与检修[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]邓东，戴峰，种自禄.飞来峡水电站水轮机轮叶连接螺栓拆装工艺[J].大电机技术，2007（04）：49-52.

TV738

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1672-5387（2016）08-0097-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.030

2016-06-29

何亚文（1982-），男，工程师，从事水电厂生产技术及安全生产管理工作。