刘同兵?徐先林

摘 要：随着我国水电机组向高水头、大容量和高参数方向发展，其定子机座作为发电机定子的重要组成部分。单机容量百万千瓦级白鹤滩水电站其质量目标为打造国内外顶级精品工程，无论在施工难度上及制造质量精度要求上，都是水电站发电机定子机座有史以来最高要求。本文从原材料订购、检验、下料、零部件成型、退火处理、加工、整体拼接、预组装、运输交货等一系列技术方面对白鹤滩定子机座制造关键技术工艺进行研究。

关键词：定子机座;百万千瓦级;精品;最高;关键技术

1 前言

白鹤滩发电机定子机座外形尺寸为φ20.7m×7.7m，单套重量为249t，最大板厚125mm，最薄板厚15mm，整个定子机座分成18个斜立筋和9层环板组成，层间用筋板串联焊接，制作加工后，分瓣发货，现场组焊成整体，分9瓣运输，单瓣尺寸为：7.5m×6.7m×2.2m，为超大件运输。百万千瓦级水轮发电机组定子机座为环形薄壁结构，且结构尺寸大，焊接过程容易变形，加工精度要求及高。各环板内径公差在-1至+3mm，支墩与基础板基准面平行度为0.2mm。其下环板周向平面度为1mm，径向平面度为2mm，整体平面度6mm，斜立筋垂直度2mm，下基础板平面至下环板平面度公差为±3mm。

2 工艺流程

根据上述工艺流程可分析确定定子机座制作关键技术主要有：（1）定子机座板厚最大达到125mm，且多为异形板下料，下料尺寸及精度保证尤为重要。（2）由于定子机座下环板平面度要求较高，其图纸要求为单瓣加工完成后再整体拼焊，需通过整体拼焊来控制平面度，必须采取有效的拼焊工艺和加固措施来控制焊接变形。（3）定子机座仰焊焊缝外观需与平焊焊缝外观一样，若单瓣解体全部采用平焊焊接方式，无法监控及控制定子机座整体焊接变形，需考虑采用全自动焊接机械臂焊接方式进行焊接，电脑云系统全过程实时监控的方式来保证。（4）结构尺寸大，加工精度要求高，加工难度大，必须制定可行的加工工艺及工装。（5）定子机座单瓣尺寸较大，为超大件运输，需采用有效的工装包装运输。

3 关键技术措施

3.1 超厚板下料及坡口制备技术

由于定子机座板最大板厚达到125mm，为了保证下料后钢板的形位尺寸（如垂直度、成型弧度），在材料采购时，都采用双定尺钢，减少接板对板材尺寸及变形的影响，对厚板钢板钻孔后再采用火焰数控机床下料，下料后采用特制坡口导向装置半自动切割机制备坡口，以此工艺保证质量。

3.2 零部件成型工艺

为保证定子机座整体成型尺寸满足要求，对于部分零部件下料后需进行精加工使其满足尺寸要求，来控制拼装间隙，减少整体拼焊变形。零部件在拼焊时，搭设高精度平台，采用特制工装，提高零部件成型后的精度。

3.2.1 下环板预制

下环板与环筋板单独拼焊后进行退火热处理，完成后采用1200t自制油压机或局部采用火焰校正，校正合格后，保证50mm环板板厚不偏薄的情况下整圆划水平线基准点（每瓣上不少于3点）及单瓣下环板两端配割余量（约30mm）切割线，画线完成后解体并将余量进行切割。

调整合格后先进行一次预加工平面，定子机座整体平焊完成后，对于下环板平面度超标位置采用自制大型环形铣刀装置（加工半径可达到15米）进行平面二次加工。

3.2.2 斜立筋预制

将在件1（上板）、件2（板）、件3（下板）放置于平台上，分别划出基准点和中心线及装配位置线，然后将板放置于工装平台上，调整其平面度≤1mm，中心直线度≤1mm后，在板上拼装定位挡块（挡块端面采用加工），然后拼装下板，保证下板与板垂直度≤1mm，位置尺寸±1mm内，接着进行上板拼装，由于上板与板成一定角度（33.48°），拼裝时应保证其角度及位置准确，定位后采用角度尺等工具进行复查，角度偏差33.48°±0.5°，其他位置尺寸不大于±1mm，最后拼装件4（筋板），整体拼装完成后，长度尺寸应保证+2mm，各装配间隙不大于1mm，未防止焊接翻边变形，在板与下板焊缝两侧拼装加固支撑板，拼装完成应对其进行编号，其拼装示意图如下。

拼装合格后进行退火，出炉后对其焊缝再次进行检查，将斜立筋放置工装平台上，以板为基准进行调平，然后将斜立筋的上板、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，板的整体平面度≤4mm，板的中心直线度≤1mm，校正主要采用1200t自制油压机或局部采用火焰校正，校正合格后，保证上、下板厚不偏薄的情况下划加工基准点（不少于3点），按照正公差极限划出加工基准点。

3.3定子机座机加工技术

3.3.1 下环板加工

由于下环板单瓣尺寸大，单独拼焊完成后单瓣采用T920落地镗床进行平面加工。将切割完成后的下环板单瓣吊上落地镗床平台，按水平余量线进行校正下环板与刀盘角度并进行加固与夹紧，校正合格后按水平余量线粗、精车加工下环板平面，保证表面粗糙度Ra12.5。

定子机座在整体拼装焊接控制变形来控制整体平面度，对于焊后变形较大的位置，采用自制大型环形铣刀装置（加工半径可达到15米）进行平面二次加工。

3.3.2 斜立筋加工

将划线完成后的斜立筋吊上落地镗床平台，按加工基准点进行校正斜立筋与刀盘角度并进行加固与夹紧，校正合格后按加工基准线余量线粗、精车加工上、下板平面，保证表面精度要求，上、下板平面度≤0.1mm，上下平行度≤2mm。

加工完成后与基础板配加工，采用落地镗床进行钻铰4-φ50mm孔，主要采用整体把合配钻方式进行，首先通过点焊的方式将基础板与斜力筋进行固定牢固，然后铰制孔分三个工序进行完成，先进行通孔配钻，通孔配钻完成后进行初铰并严格控制余量及精度，每一道铰制完成后应测量剩余余量是否满足要求，检测完成后，进行精铰，精铰应严格控制每一道铰制切削量，同时每道铰制完成进行测量，并根据测量数据确定下一道铰制量，最终铰制孔偏差0～+0.039mm，并配对编号，并进行标记。基础板配钻铰时，应注意区分基础板内径侧与外径侧（见下图），采用标记或记号笔标记清楚，避免造成方向错误。

3.3.3 对机加工质量检查

3.3.3.1 对主要机加工部件编制机加工工艺指导书，并对操作工人进行技术交底。

3.3.3.2 要求操作人员严格按照工艺指导书操作，并加强加工前后与加工过程中的检查控制。

3.4定子机座拼装工艺

由于定子机座尺寸较大，下环板周向平面度为1mm，整体6mm，斜立筋垂直度为2mm。为保证其精品工程要求，需搭设高精度平台，在平台上放地样;定子机座共设有9层环板，其各环板内径公差要求再-1至+3mm，为保证拼焊后定子机座同轴度要求，为保证各层环板同轴度在一个基准上，通过自制塔架升降式基准架，保证各层环板中心在竖直线上，以此基准来保证每层环板拼焊、调整同轴度。具体施工工艺如下：

下环板组焊、斜立筋等部件下料、预制、焊接、退火、加工完成后进行整体组拼。先把下环板（指下环板和壁板拼焊在一起的部分）在定子机座整体组拼平台上进行组拼，把下环板上表面初步调平，再调整其内圆及外圆应控制在控制在±5mm以内（含配割量），检测合格后调整下环板水平达标（整体水平保证在2mm之内，并且外圆的水平必须比内圆的水平低1mm）。下环板内、外圆每隔1m 与平台间焊接100mm×10mm Q235角钢作临时支撑。测量各尺寸符合图纸要求，确保下环板内圆、外圆有足够的气割余量。

对下环板上进行斜立筋的位置和环板筋板放样，划出每一瓣的斜立筋装配基准向心轴线及首层筋板装配位置线，检查合格后进行斜立筋槽的切割，然后进行斜立筋的拼装，拼装时控制其上下基础面的平面度要求，半徑位置，尤其是垂直度的控制（垂直度在环板拼装前必须保证在5mm内，待环板拼完后焊前垂直度控制在3mm内，这样才能保证在定子机座焊接完成后，垂直度保证在3mm合格范围内）。

拼装下环板上均布的筋板，完成后依次从下向上进行中环板及环板筋板的拼装，最后拼装上环板（上环板暂时先不焊接，待焊接完调校定子机座时再焊接，这样可以保证上环板的水平）。采用经纬仪放样出各环板中心，并采用自制工装进行圆心标记，便于检测和保证环板同心度要求。

组拼完成后进尺寸的检查，重点控制下环板的水平及其外倾度，保证上、中、下环板的半径、同轴度要求，以及斜立筋的垂直度，斜立筋基础板的平面度、斜立筋基础板和下环板的高差。上、中环板因分块拼装，在拼装前进行环板弧度的检查，对不符合要求的进行处理再进行拼装。

待检查合格后，焊接前必须对个各焊缝进行全面加固，长度不低于80mm。，在斜立筋上板上安装起吊装置，向下环板中插装斜立筋（注意：上、下斜立筋要用工具螺钉拧紧）。调整斜立筋的垂直度、斜立筋至中心的尺寸、斜立筋下平面到定子铁心中心线尺寸等符合图纸要求，且保证斜立筋定位销孔的弦长为R±2mm。斜立筋位置调整合适后，在斜立筋上平面与相邻斜立筋（包括相邻其他瓣体斜立筋）之间焊接100mm×10mm Q235角钢进行固定，焊角尺寸10mm。斜立筋与下环板间搭焊固定。

3.5 定子机座焊接技术、焊接变形控制

3.5.1 焊接变形控制措施

因定子机座分成多瓣，为了控制焊接变形，每瓣安排1名焊工同时同层均布焊接。焊接时采用合理的焊接规范和焊接顺序，按照先立后仰再平的原则进行，每一层均同时进行。具体流程可按如下进行：尺寸检验合格→加固（含拉筋）→筋板焊接（先仰焊、后平焊）→同层焊接（中环板、上环板在斜向筋处的对接缝→上环板、中环板、下环板与斜向筋的组合焊缝）。焊接中环板、上环板对接缝时，先进行最中间层中环板焊接，按要求在仰焊处气刨开坡口并将杂质打磨干净，再进行背缝处平焊气刨清根，其它层上、中环板方法和顺序与最中间层类似相同。

在焊接下环板与斜向筋的组合焊缝时，每人对称同时同层按照同一方向进行跳焊。先在下面仰焊约3层焊道，然后在上面气刨清根并打磨干净后，平焊3～4层，再仰焊、平焊交替进行，具体根据变形情况调整仰焊、平焊的焊接顺序。此层下环板与斜向筋的焊缝全部焊完后，先进行焊缝外观检测和抽样PT检测，合格后进行整体局部热处理，随后再进行100%UT和100%PT，合格后再进行其它上环板、中环板与斜向筋的焊接。

在焊接过程中实时进行监测，采用水准仪、经纬仪对各环板、斜立筋等平面度、垂直度进行测量，以及各环板内径、外径等变化，根据检测结果和变形情况适当调整焊接的位置和顺序（焊接过程控制很关键，对于控制定子机座尺寸变形非常重要）。

对每层环板内外圈都预留二次切割余量，采用分层对称的焊接方式，利用水平仪或全站仪全过程焊接监控下环板水平变化，随时调整焊接顺序的方式保证下环板水平度;焊后对平面度超标的位置采用自制大型环形铣刀装置（加工半径可达到15米）进行平面二次加工。

作为国内外首台单机容量百万级定子机座，其焊缝外观要求极为严格，要求仰焊外观和平焊外观一样，将采用G系列全数字MIG/MAG焊机和机械臂组合进行焊接，智能焊接云管理系统对焊接过程参数电脑全过程实时监控管理，来保证焊接外观及内部质量。

3.5.2 焊接质量的控制措施

3.5.2.1 对未经工艺评定的钢材和焊材进行焊接工艺评定。

3.5.2.2 对主要部件的焊接编制专门的焊接工艺指导书，并在焊接前组织技术交底。

3.5.2.3 严格焊条烘烤使用管理制度，要求焊工随身携带已通电的保温筒。

3.5.2.4 严格按焊缝级别进行焊接质量检查，并根据检查结果分析焊接工艺的可行性和调整焊接工艺。

3.6 定子机座二次放样及切割

由于定子机座制造公差要求较高，为保证各层环板内径公差，减少壁板在焊接过程中对变形的影响，以塔架升降式基准架上圆心为基准，对每层环板进行二次放样切割环板内外径，以此来满足环板内径要求，及控制外壁板的拼装间隙。

3.7 定子机座运输

定子机座在厂内整体拼焊，分九瓣运输，单瓣为超大件（运输尺寸7.5m×6.7m×2.2m），采用设计工装卧式进行包装运输。

4 结语

在先进的焊接设备、加工设计及检测仪器有力保障下，通过对拼装工艺、加工工艺、焊接工艺等关键技术工艺实施后，定子机座制造质量完全满足白鹤滩精品工程要求，对后续巨型电站的定子机座制造技术奠定了成熟、可靠的基础保证。

作者简介：刘同兵（1979-），男，本科，主要从事水电站钢结构及桥梁钢结构制造与安装技术管理工作。