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大型水轮机座环现场整体加工工法
何念民
中国水电八局机电制造安装分局湖南长沙410007
1、前言
水轮发电机组水下埋件（如座环）一般均在制造厂内加工完成后，再解体运往工地。
而座环在加工完成后均存在消应不彻底，解体后产生应力变形；同时在运输过程中由于各种原因也会变形；在现场安装过程中，由于和蜗壳、尾水锥管焊接，变形也较大；在混凝土浇筑过程中会产生位移等原因，以致安装完成的座环如不经过处理难以达到安装要求。
目前，水轮发电机机组装机容量向大容量趋势发展，座环尺寸越来越大，安装精度也要求较高。
为了消除座环因在制造、运输、安装、混凝土浇筑过程中的变形、位移等影响，保证其安装精度，于是采用座环现场整体加工技术。
在三峡左岸电站VGS标段的6台机组均采用座环现场整体加工技术，加工后的座环各加工面各项技术指标满足设计要求。
在机组后续安装过程中，不须对座环进行处理，均满足机组安装的各项要求。
大型水轮机座环现场整体加工技术经过我局在三峡左岸电站VGS标段的成功运用，现在已经工艺成熟，质量稳定，安全可靠，对于大型水轮机座环现场整体有广阔的发展前景。
2、工法特点
2.1投入施工设备简单
1）利用简易立式铣床进行座环平面和立面以及密封槽的现场机加工。
2）利用立式钻床进行座环平面连接螺孔和销孔的现场机加工。
3）不需要大型的数控车床、铣床、钻床设备进行加工。
2.2提高安装质量
1）座环现场加工技术减少了座环制作过程消应不彻底产生的变形、运输过程中的变形、安装过程中焊接变形、混凝土浇筑过程中的位移等影响安装质量因素，使座环安装工序简单。
2）现场加工完成后的座环在后续的导水机构安装过程中不需要进行加垫、定位销孔不匹配等处理，可一次安装到位，提高安装质量和精度。
2.3节约施工成本和工期。
1）座环现场整体加工技术投入施工设备简单，可降低施工成本。
2）座环现场整体加工技术可减少精加工面，可在现场进行制作安装，加工后一次成型，不需要消应等处理，可节约加工成本和运输成本。
3）座环现场整体加工技术使座环安装过程简单，容易控制；导水机构安装工期减少，节约施工工期。
3、适用范围
适用于大型水轮机座环现场整体加工，对座环现场整体加工具有指导意义。
4、工艺原理
4.1工艺说明
在机组座环中央位置的适当高度固定铣床，铣床的支臂和铣头可调整，并随着中心柱一起旋转。
铣头带动铣刀旋转切削座环表面，从而对座环进行现场整体加工。
中心柱和铣头由单独的电机带动，并可进行转速调节，以满足不同的加工精度需要。
座环平面、立面及密封槽加工采用铣床进行，其简易结构见图4.1—01，各连接螺孔和销孔的加工采用在专用平台上布置钻床进行加工。
图4.1--01 铣床简易结构和布置示意图
4.2座环现场加工部位
4.2.1大型水轮机座环现场整体加工部位见图4.2—01。
4.2.2座环现场整体加工主要工作
1）基础环法兰面的平面加工；
2）座环上环板和顶盖联接法兰面的平面及立面加工；
3）座环下法兰和底环联接面的平面加工；
4）座环下环板立面加工；
5）座环和顶盖的联接螺栓孔的钻孔、攻丝以及定位锥销孔的钻孔、铰孔；
6）座环和底环的联接螺栓孔的钻孔、攻丝和定位锥销孔的钻孔、铰孔，以及排水孔的钻孔和加工等。
图4.2--01 大型水轮机座环现场整体加工部位图
4.3加工铣床装置说明
1）铣床由组装基础支架、立柱（立柱上装有带旋转铣头的支臂）、立柱定位的上支架组成。
2）中心支架支撑着支架基础板（见图4.1—01中的部件1），由中心支架及几个机械顶驱动的伸缩支腿组成。
该中心支架体将安装在肘管上，而支腿的支撑板也焊接在肘管上。
对于支腿根据肘管大小的不同，可以安装两类，即短类和长类。
每一个伸缩支腿有一安装在中心支架上的固定部件及一个内置的可滑动部件。
伸缩支腿通过机械顶延伸，由此在肘管上产生径向的压缩力而不是向上的推力。
中心支架支撑着铣床的基础板。
该基础板安装为球面组合连接，由三块组成。
一块水平板，配有四个机械顶（用于轴向调整），两块中心定位板，用于水平中心定位。
3）中心柱（部件2）放置于基础板组合台上。
由一手工焊接而成的外置方形柱管构成，该柱管在内置的圆管周围备有轴承。
外置方形柱管转动，但内置圆管保持静止。
下部轴承（部件3）为一大直径轴承，配有外向齿轮，通过减速齿轮带动外柱管旋转。
该减速齿轮安装在外柱管的基础板上，由电动机（部件4带齿轮）带动。
减速齿轮须考虑到反冲间隙的调整。
上轴承为一球形轴承，安装在轴承座内。
在轴承座的上方的非转动内柱管上布置有铣床供电集电环，碳刷则安装在外柱管上。
供电电缆线从内柱管内穿入，并从该管的一个开口引出和集电环相连。
在外方柱管角落处，配置了四个方形导轨，通过这四个导轨，铣床支臂可以垂直移动。
两端装有带丝的推拉杆（部件5），用于驱动支臂上下移动。
这些推拉杆顶端固定在外方柱管上，底端不固定，只用于导向。
4）铣床支臂（部件6）由支臂移动装置（部件7）、控制盘柜（部件8）及其它各种设备、支臂可拆块件组合体（具体情况取决于水轮机的直径大小，这三个块件为旋转支臂的组成部分，而铣头（部件9）是在旋转支臂上转动的）部件构成。
支臂移动装置由两块加强板构成，两块加强板的前端由两个系杆及一个中置部件隔开，其后端由一个系杆隔开。
支臂的上下移动由分布在中心柱两侧的两个机械驱动器驱动完成，并固定在中心柱上的推拉杆上。
支臂配有两个绕线卷轴，供中心体旋转使用的电缆、电源线使用。
铣床由多数可拆卸的分件组装而成，组成分件的数目由被加工件的直径大小而定。
每一个分件由钢板通过手工焊焊接而成，其下表面有导轨，可动支臂正是在这导轨上滑动的。
铣头由可动支臂支起，由一个变速齿轮及一个齿条齿轮装置驱动着可动支臂在直线形导轨上移动。
变速齿轮由手轮驱动，制动器可以止定可动支臂。
5施工工艺流程及操作要点
5.1大型水轮机座环现场整体加工流程图
大型水轮机座环现场整体加工流程图见图5.1--01。
5.2操作要点
5.2.1机组安装中心的确定和样点设置
图5.2--01 机组安装中心样点布置图
1）.机组安装中心的确定
（1）.机组安装中心的确定按图5.2—01所示进行；
（2）.将各辅助平台吊入机坑，按图5.2--01安置并固定牢靠；
（3）.用全站仪将座环的径向安装线转移至基础环法兰（即尾水管上口）和座环各环板处，做上标记；然后再按照这些标记将整个圆周等分24点，并做上标记；
（4）.在机坑中央安装求心器装置，用内径千分尺测量并记录这些标记和钢琴线之间的距离；
（5）.根据上述测量数据计算出基础环（尾水管上口）和钢琴线的同心度；
（6）.根据同心度结果，调整钢琴线使同心度达到最小设计要求，此时钢琴线的位置即为机组安装中心位置，也是机加工设备的中心位置；
（7）.用内径千分尺测量钢琴线和座环各环板的距离并记录以此作为校核中心数据；
（8）.根据测得座环各环板的数值确定内镗口的加工余量。
2）.样点设置
（1）.中心样点设置
用经纬仪将上述确定的机组安装中心，按座环的纵向/横向中心线转移至基础环内壁、机坑里衬和尾水管内壁的合适位置，并做好刻线标记（+Y、+X、-Y、-X）；
在这些标记附近用角向抛光机仔细地修磨出小片区域（略大于千分尺端部的球面），并做好标记（注意：
不能破坏纵向/横向中心线刻线标记）；
测量这些修磨好的标记和钢琴线之间的距离，并记录下来；基础环内壁的轴线标记将作为机组安装的中心基准参考样点，机坑里衬内壁的轴线标记则作为校核样点，而尾水管内壁的轴线标记用来调整铣床的中心。
（2）.铣床下/上支架支腿支撑板安装样点设置
在尾水管内壁确定铣床下支架支腿支撑板的安装位置，并做出方位和高程标记；
在机坑里衬内壁确定铣床上支架支腿支撑板的安装位置，并做出方位和高程标记。
（3）.机组安装高程的确定
用精密水准仪测量全部固定导叶中心线的高程，并记录其数值，计算其平均值；
以此平均值作为导水机构安装中心线，即机组安装高程基准，也是座环机加工高程基准。
（4）.高程样点设置
将加工带球形头的钢制样点，分别焊牢在基础环内壁、固定导叶中心线附近的固定托架上和座环上环板待加工表面外侧的合适位置；
用精密水准仪将机组安装高程分别转移至这些样点上，记录样点的高程数据;基础环内壁上的样点将作为水轮机安装的高程基准参考样点，其它则作为过程测量和校核样点。
5.2.2.加工余量的确定
1）.平面及环带的加工余量
以固定导叶中心线平均高程为高程基准样点，用精密水准仪测量座环上环板、座环下法兰、基础环法兰待加工表面的高程（至少24点），并记录数据，根据这些数据和安装图纸中的相关数据确定平面及环带的加工余量。
2）.座环上、下环板内环面的加工余量
由于此处加工公差较大，故挂钢琴线用钢卷尺测量半径值即可确定加工余量，但在用钢卷尺测量时应尽可能拉直钢卷尺，并和钢琴线找出一个最小值，以减小测量误差；测量加工余量时，用钢制画笔在上、下环板表面做出终加工尺寸标记。
5.2.3.铣床安装调整
在铣床吊入机坑之前，须对所有部件进行清扫，并在有关转动部位涂抹黄油。
1）下支架的安装
（1）下支架的安装
在尾水肘管上安装一个拉杆支撑的基础板，按工程设计考虑基础钢板的安装高度。
将拉杆支撑安装在中心支架上。
将U形铰座安装在拉杆的末端，并使用相应的销钉。
将支撑板安装在U形铰座上（第一个已焊在肘管上）。
安装时须注意以下几项：
确认拉杆有回缩余量；
确认铣床基础板居中心位置；
确认基础板的水平板调成和底座支架平行状态；
确认水平板锁定螺母已锁定好。
将底座支架吊装至尾水肘管处，并结合已焊在肘管上的一块支撑板，调整其中一个拉杆（称之为拉杆1）。
逐渐地将拉杆拉出，直至U形铰座连接到已焊上的钢板。
利用吊具，以拉杆1为相对转轴，将底座支架调至水平。
在上水平板上中心孔内装放定位杆进行大致中心调整（用钢卷尺测量）。
将拉杆4和拉杆6伸出，直至和肘管里衬接触，但U形铰座位置要定正确（此时拉杆不必受力很大）。
确保底座支架水平且和机坑里衬同心。
然后焊上这两条拉杆上的支撑板。
再伸出其它5条拉杆使其靠向肘管里衬，将拉杆上的U形铰座正确地对在肘管里衬上。
确保位置正确后，再次调整底座的水平位置，焊上拉杆上的支撑板。
将拉杆压向肘管里衬，然后分别紧固手动顶具，使得每个拉杆受力均匀。
（2）下支架最终调整
使用精密水平仪在每个方向进行调平，用顶丝调整水平，并用锁定螺母锁定中心柱基础板；
用卷尺测量定位轴至基础环法兰镗口的距离，将中心板调至中心。
用调节螺栓调节中心板的位置；
精确地将中心板调整至基础环的最佳中心位置，偏差应在0.5mm内；
再次检查水平状况，当水平度及同心度都达到允许误差之内时，紧固所有的锁定螺母，
拆除定位轴。
2）上支架和中心柱安装
上支架安装在中心柱顶部。
准备好上支架上的拉杆，留两个对称的U形铰座待中心柱吊装后再进行。
将压杆调至最小值，确保拉杆长度满足施工需要。
在拉杆的末端装上U形铰座，在U形铰座上装上支撑板。
吊装中心柱到底座支架上，调整好中心柱和底座中心板位置，锁定好螺杆，将系杆支撑板焊在里衬上。
考虑到系杆拉紧时，支架会轻微上升，上支撑板就位高度应比理论值略高（约12毫米），拉杆的拉紧力度应适中；
在上支架上安装剩余两个系杆，将系杆固定于焊接在里衬上的支撑板上，调节其长度，系杆拉紧力度适中。
安装铣床支臂以及支臂上的附件，铣头安装在支臂最前端。
安装并连接好所有的电气部件。
解除中心柱上支架的锁定状态，支臂载座固定至中心柱的止动装置也应解开，保持支臂和中心柱处于活动状态。
检查电气控制情况符合要求后，检查中心柱、支臂、铣头转动情况应正常。
3）铣床的最终安装调整
将铣臂下降至座环下法兰，并在铣头上放一精密水平仪（或使用光学水准仪）。
转动支臂，调整支臂在旋转180°后的水平差在0.05mm以内。
将中心柱基础板的顶丝拧紧，为使基础板的定位不变，设置百分表监视。
啮合中心柱驱动齿轮。
用调节螺栓调整铣头的水平度及垂直度满足加工要求，调整时保持铣头刀盘周向前端比后端低0.03mm，径向一致。
加工开始后，定期用光学水准仪测量水平值，以确定铣床仍为水平，且在公差范围内。
5.2.4.座环现场整体加工
1）座环平面、环面及密封槽加工
座环加工工艺流程为：
座环下法兰表面及环带加工→座环下环板内环面加工→座环上环板内环面加工→座环上环板表面加工→座环上环板密封槽加工→基础环法兰环带加工→总体检查验收→铣床拆卸、吊出机坑→底环预装→底环联接螺栓孔及销钉孔加工→导叶及顶盖的预装、调整→顶盖联接螺栓孔及销钉孔加工。
首先对加工面进行粗加工，当加工余量还有2mm左右时进行半精加工，一是检查调整铣床的水平，二是将法兰面削平，为最后的精加工作准备。
由于加工平面较宽，可将环面分成几圈进行加工，首先加工内侧一圈作为基准面，然后压线按径向加工其它圈面，并用平尺和框式水平仪检查径向、周向水平。
当加工余量只剩1mm时进行精加工，此时进刀量为0.3mm—0.2mm—0.15mm—0.1mm—0.05mm，然后用电子水准仪测量水平，如存在高点，可将高点部位用铣刀再按高点数据进行局部加工，在测量时应每圈尽可能多测量几点。
如数据符合要求后进行最后验收。
在座环上环板加工过程中以及加工完成后，除用精密水准仪检查加工面高程，还需用内径千分尺测量座环下法兰加工平面和座环上环板加工面的相对高差作为校核检查，其相对高差应满足设计要求（注意：
座环下法兰加工面和上环板加工面的相对高差应根据底环实际高度、顶盖法兰面下部至顶盖底部的实际距离、活动导叶的实际高度、导叶的端面间隙确定）。
座环上下环板加工面高差应考虑机组运行时导叶的上浮量、导水机构安装完毕后顶盖的下沉量、环境温度等因数对导叶端面总间隙的影响，所以在加工时建议考虑比设计值的正偏差略大。
2）加工尺寸复测
将机加工设备吊出机坑，利用测量平台对加工中心和水平进行复核。
3）座环连接孔及销孔等的加工
将钻孔平台吊入机坑，放置在加工面上，吊入钻机并调整其水平和位置。
此项加工工作和导水机构预装交叉作业，为加快进度，将在加工件的两个相对位置同时进行钻孔工作。
加工工序为：
预钻Φ25mm（螺孔/销孔）→按钻头型号依次进行钻孔→最终钻孔尺寸→攻丝或铰销孔。
在钻孔过程中，需利用钻具导向套（不同直径系列）进行定位，并不断地清掉钻屑，维护保养好加工面和加工设备。
6、材料和设备
大型水轮机座环现场整体加工所需设备及材料见表6—01
表6—01大型水轮机座环现场整体加工所需设备及材料表
序号
名称
规格
单位
数量
1
铣床
根据座环尺寸决定
套
1
2
铣刀
根据座环尺寸决定
套
1
3
铣刀刀片
片
1000
4
座环现场钻铰工具（包括钻孔、铰孔、攻丝设备）
根据座环尺寸决定
套
1
5
钻孔机（钻孔、铰孔、攻丝设备）
根据座环尺寸决定
件
3
6
钻头
满足现场钻孔需要规格
套
1
7
铰刀
满足现场钻孔需要规格
套
1
8
丝锥
满足现场钻孔需要规格
套
1
9
钢丝绳
各种规格
套
1
10
吊耳/卸扣等
各种规格
套
1
11
手动葫芦
10t/5t
只
各4
12
千斤顶
15t/5t
只
各4
13
内径千分尺
125~7000mm/0.01mm，50~600mm/0.01mm
件
各1
14
数显游标卡尺
0~200/0.02mm，0~300/0.02mm
套
各1
15
数显深度游标卡尺
0~200/0.02mm，0~300/0.02mm
套
各1
16
钢板尺
1m、0.5m、150mm
套
各2
17
直角尺
250mm
套
2
18
塞尺
200mm-0.01/4mm
套
6
19
直刀尺
300mm
套
1
20
平尺
3000mm
把
1
21
百分表
0.01mm
套
4
22
磁力表座
套
4
23
框式精密水平仪
0.02mm/m
台
2
24
精密水准仪
0.001mm
台
1
25
全站仪
台
1
26
铟钢尺
3000mm
把
1
27
螺纹规
公制/英制
套
各1
28
求心器
自制
套
1
29
耳机
套
1
30
钢琴线
0.35mm
kg
2
31
方木
2000×300×300
根
20
7、质量控制
1）.建立和工序作业相对应的质量检验系统，严格执行国家、行业有关标准，保证工序质量符合规范要求。
2）.建立全面的质量监控系统，及时处理质量问题。
3）.关键工序配质量检查人员检查。
4）.大型座环现场整体加工质量控制点及控制措施见表7--01。
表7--01大型座环现场整体加工质量控制点及控制措施
序号
质量控制点
控制内容
控制措施
控制依据
控制见证
1
机组安装中心/高程的测量确定和样点设置
中心
测量仪器/工具必须预先经过校验；
测量人必须经过培训并持有相应等级证书；
测量/记录应详细可靠。
制造厂标准
GB8564-2003
质检报告
质量签证
施工日志
高程
2
加工设备的安装调整
中心
制作结构坚固的基础平台；
利用挂钢琴线、千分尺、精密水准仪、精密水平仪等方法调整中心柱的中心和铣臂的水平度；
所有连接螺栓和调节螺栓必须可靠紧固；
加工过程中随时监测加工设备中心及水平的变化情况。
制造厂标准
质量签证
施工日志
水平
3
座环内环面加工
半径
加工前预先做好终加工尺寸样线和样点；
指派专人进行过程监视。
制造厂标准
质检报告
质量签证
施工日志
4
平面及环带加工
径向水平
测量仪器/工具须预先经过校验；
预先测量计算出加工余量；
指派专人进行过程监视；
严格控制座环上下环板平面环带之间高差，用千分尺和自制测量板校验。
制造厂标准GB8564-2003
质检报告
质量签证
施工日志
周向水平
平面环带之间高差
5
销（螺）孔的钻铰（攻丝）
尺寸
使用自制工装牢靠固定钻具；
使用导向套以便准确定位；
使用金属切削液并定期维护保养钻具；
用安装销钉（螺栓）检查终加工尺寸。
制造厂标准
质检报告
质量签证
施工日志
8、安全措施
进行施工人员全员安全施工教育，执行《建筑机械使用安全技术规程》 （JGJ33—86）、《水电水利工程施工安全防护设施技术规范》（DL5162—2002）、《金属切削机床安全防护通用技术条件》（JB15760—1995）、《磨削机械安全规程》（GB4674-1984）、《施工现场临时用电安全技术规范》 （JGJ46—2005）及《建筑施工高处作业安全技术规范》（JGJ80—91）的有关规定，建立施工安全检查评分制度，定期检查，对存在的安全隐患限时处理，随时消除不安全因素。
9、环保措施
按照国家有关环保法规和要求将加工废弃物按指定地点堆放、处理。
10、效益分析
10.1.采用座环现场整体加工技术可减少加工面
如座环在厂内加工出厂，厂内除了加工在现场加工的面外，还需加工分瓣座环的组合面；而现场加工的座环只是将座环分瓣毛坯进行组合焊接，不需进行精加工，节约加工成本和施工工期成本。
10.2.采用座环现场整体加工技术可减少运输成本
采用现场整体加工技术的座环不需要在制造厂内制作，可在施工现场进行制作，减少厂内加工而产生的运输费用。
10.3.采用座环现场整体加工技术所需施工设备简单
在厂内加工需要精密的、大型的数控车床、铣床、钻床等设备，同时需要厂内大型桥机设备进行配合，施工设备配置要求高；而现场加工仅需要一台简易铣床和立式钻床，加工设备投入数量少，要求低，但同样能达到设计要求，节约施工投入成本。
10.4采用座环现场整体加工技术可加快施工周期
座环现场加工技术减少了座环制作过程消应不彻底产生的应力变形、运输过程中的变形、安装过程中焊接变形、混凝土浇筑过程中的位移等影响安装质量和施工周期的因素，使座环安装工序简单，加快施工周期，降低施工成本。
现场加工完成后的座环平面在后续的导水机构安装过程中不需要进行加垫、定位销孔不匹配等处理，可一次安装到位，节约施工工期，降低施工成本。
11、使用实例
湖北宜昌三峡左岸工程的VGS标段6台单机容量700MW的机组采用座环现场整体加工技术，其座环尺寸为φ14492×4265mm，重382吨，分4瓣在工地进行组焊。
加工铣床铣臂6550mm，中心柱高10228mm。
三峡左岸工程VGS标段座环现场整体加工任务重，工期紧。
三峡左岸工程VGS标段首台机组座环现场整体加工后铁屑重量达5.2t，最大切削厚度达17.4mm，最大加工直径达φ12768mm。
三峡左岸工程VGS标段座环现场整体加工操作从首台机组的生疏到后续机组的熟练，经历了一个过程，通过大家的认真、细致工作，最终完成了此项工作。
每台座环加工面周向、径向水平，面和面之间距离，各环面中心和尺寸等均满足设计要求。
加工后进行导水机构的安装，底环和座环下法兰面、顶盖和座环上法兰面配合良好，各导叶的端面间隙符合设计要求；现6台机组均已投入商业运行，机组运行正常。
由此可见，座环现场整体加工是成功的，加工方法是正确的，加工精度是能满足设计要求的，同时为今后其他大型水电站类式设备的加工提供了可借鉴的经验。
在座环现场整体加工过程中也应注意以下问题：
1）确保加工设备的稳定性，这要求加工设备本身有足够的刚度。
三峡左岸工程VGS标段的座环由于加工的直径大，铣床的悬臂长，在首台座环前期加工中，铣床的加工头跳动较大，加工面波浪度最大达1.2mm，针对这一问题我们采取对铣床加工臂进行上、下斜拉加固材料加固，满足了加工要求。
2）选择合适的加工参数可提高加工速度和精度。
粗加工采用大进给量、低切削速度及大切削量，而精加工采用小进给量、高切削速度及小切削量，以及采用多次加工方法，减少切削力及切削热的产生。
3）采用精确的测量仪器测量。
采用高精度水准仪、千分尺和框式水平仪等精密测量工具，从而保证测量数据的可靠性。
同时在测量时须提前将设备放置在现场，保持测量设备和环境温度的一致性。
4）正确的测量方法。
采用多次测量、增加测量点的方法来保证测量数据的准确性，并采用千分尺及高精度水准仪等测量仪器测量并相互校核测量数据，保证了测量数据的准确性；采用专业测量队伍和专人进行测量，减少测量误差。
5）加工设备的定期维护及检查，确保加工设备始终处于良好工况。
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