王寧寧，常玉紅，盧海鵬，李 杰，馬增軍

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473000；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

回龍抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)為立軸、單級(jí)、混流可逆式，額定轉(zhuǎn)速為750r/min。頂蓋采用箱形下法蘭結(jié)構(gòu)，由鋼板焊接而成，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，頂蓋通過螺栓與座環(huán)連接，用定位銷確定頂蓋和座環(huán)的相對(duì)位置；座環(huán)由鋼板焊接而成，座環(huán)環(huán)板采用抗撕裂鋼板DIN TSTE355-Z35；原頂蓋螺栓型號(hào)為M42×300，共50個(gè)，材質(zhì)為鍛鋼35CrMo，技術(shù)要求為螺栓拉伸值0.38mm，設(shè)計(jì)屈服強(qiáng)度735MPa，抗拉強(qiáng)度882MPa。

1 存在的問題

《混流式水泵水輪機(jī)基本技術(shù)條件》（GB/T 22581—2008）4.2.2.6條規(guī)定“當(dāng)要求有預(yù)應(yīng)力時(shí)，螺栓、螺桿和連桿等零部件均應(yīng)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力處理，零部件的預(yù)應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度的7/8。螺栓的荷載不應(yīng)小于連接部分設(shè)計(jì)荷載的2倍”。其中，預(yù)應(yīng)力=預(yù)緊力F0/螺栓最小斷面面積，螺栓的荷載即為螺栓的預(yù)緊力F0，連接部分設(shè)計(jì)荷載為螺栓承受的工作載荷F，即標(biāo)準(zhǔn)要求F0≥2F。

由主機(jī)廠出具的螺栓設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告可知，水輪機(jī)正常運(yùn)行情況下F0/F=1.19，水泵工況下F0/F=1.14，水泵零流量工況下F0/F=1.0，水輪機(jī)飛逸升壓工況（甩負(fù)荷工況）下F0/F=0.83，均小于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22581—2008要求的2倍。而頂蓋螺栓[1]的預(yù)緊力設(shè)置過小，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在較大的工作載荷作用下，螺栓極易發(fā)生松動(dòng)，長(zhǎng)期運(yùn)行后便會(huì)在受力較大部位（螺帽與墊塊處）產(chǎn)生疲勞，螺栓松動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致頂蓋密封失效而出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

為保證頂蓋螺栓在各種工況運(yùn)行時(shí)保證有足夠的預(yù)緊力，2017年回龍抽水蓄能電站綜合治理改造期間對(duì)頂蓋螺栓進(jìn)行改造，并對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)設(shè)計(jì)選型，結(jié)構(gòu)優(yōu)化，強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算，座環(huán)把合螺孔擴(kuò)孔等關(guān)鍵工藝過程控制，保證了頂蓋螺栓在運(yùn)行時(shí)有足夠的安全裕度[2]。

2 頂蓋螺栓及其連接部件改進(jìn)優(yōu)化方案

2.1 頂蓋螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1.1 優(yōu)化原則

為保證頂蓋與座環(huán)連接的安全可靠，頂蓋與座環(huán)連接螺栓改進(jìn)采取以下優(yōu)化原則：

（1）各工況的螺栓許用應(yīng)力按80%螺栓材料的屈服極限選取；

（2）在水輪機(jī)各種運(yùn)行工況下，作用于頂蓋與座環(huán)連接法蘭面間的剩余預(yù)緊力[3]與工作載荷的比值均大于0.5倍；

（3）結(jié)構(gòu)部分，提高各部分加工精度要求，確保螺紋根部無機(jī)械加工刀痕；

（4）結(jié)構(gòu)部分，螺栓螺紋根部部分要伸到本體（或螺母）內(nèi)部1.5×2P（如圖1所示，注P為螺紋牙距）；

（5）結(jié)構(gòu)部分，采用合適的防松措施。

2.1.2 頂蓋螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過計(jì)算，為保證螺栓有足夠預(yù)緊力，對(duì)頂蓋螺栓結(jié)構(gòu)及加工工藝進(jìn)行以下優(yōu)化（見圖2）：

圖1 頂蓋螺栓螺紋結(jié)構(gòu)優(yōu)化簡(jiǎn)圖Figure 1 Optimization diagram of screw thread structure of top bolt

圖2 頂蓋螺栓結(jié)構(gòu)優(yōu)化Figure 2 Optimization of roof bolt structure

（1）連接螺栓調(diào)整為M64×4，材料采用鍛鋼35CrMo，螺栓預(yù)留測(cè)長(zhǎng)孔，標(biāo)明螺栓的伸長(zhǎng)值；

（2）螺栓進(jìn)行必要的防松；

（3）螺栓中間直徑小于螺紋小經(jīng)，中間段與兩端過渡采用大圓角倒斜角過渡，過渡區(qū)域粗糙度提高到Ra1.6；

（4）采用圓螺母，并增加螺母把合平面與螺紋中心的垂直度及表面的粗糙度；

（5）墊片材料采用45號(hào)鋼，墊片進(jìn)行淬火處理要求硬度達(dá)到Rc=40，45；

2.1.3 螺柱及螺母加工工藝優(yōu)化

（1）頂蓋螺栓采用材質(zhì)為鍛鋼35CrMo，加工前需相應(yīng)做熱處理；

（2）鍛件的力學(xué)性能應(yīng)滿足表1中要求，拉伸性能試驗(yàn)按照GB/T 228標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，沖擊性能試驗(yàn)按照GB/T 229標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行，硬度試驗(yàn)按照GB/T 231標(biāo)準(zhǔn)要求執(zhí)行。

表1 35CrMo材質(zhì)鍛件力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of 35CrMo forgings

（3）對(duì)螺柱及螺母表面進(jìn)行磷化處理。磷化處理指在鋼鐵制件表面上形成一曾難溶的磷酸鹽保護(hù)膜的表面處理方法，通過磷化處理能夠提高零件耐腐蝕能力。由于磷化膜具有自潤(rùn)滑能力，因此用于緊固件表面除具有一定防銹能力外，還有防止由于潮濕環(huán)境長(zhǎng)期使用螺紋銹蝕“咬死”不易拆卸作用，零件防銹性能提高明顯。

（4）驗(yàn)收。檢查螺栓的材質(zhì)報(bào)告，相關(guān)數(shù)據(jù)符合圖紙及有關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)螺栓進(jìn)行無損檢測(cè)，螺紋完好內(nèi)部無缺陷， 符合NF A04-308-1988 C級(jí)要求；對(duì)螺栓進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合OEA.640.619要求。

2.2 頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

頂蓋螺栓調(diào)整為M64后，頂蓋相應(yīng)把合孔也需增大，在保證頂蓋強(qiáng)度的情況下進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)（見圖3）：

圖3 頂蓋局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化Figure 3 Local structure optimization of roof

（1）把合法蘭厚度由140mm調(diào)整為200mm，取消頂蓋把合法蘭上的10個(gè)外側(cè)肋板；

（2）相應(yīng)的把合螺孔由φ46調(diào)整到φ68mm，劃平面由φ100變?yōu)棣?50，同時(shí)增加上把合平面與頂蓋上與座環(huán)把合面的平行度要求；

（3）肋板外側(cè)的T型板由300mm寬變?yōu)樯?00mm，下500mm的梯形；

（4）頂蓋上對(duì)應(yīng)的把合法蘭面設(shè)置兩道密封，在兩道密封中間，預(yù)留檢驗(yàn)密封狀態(tài)的試壓孔。

2.3 座環(huán)上把合螺孔工藝優(yōu)化

因頂蓋螺栓更換為M64×14后，座環(huán)上螺栓把合螺孔也需擴(kuò)孔至M64（見圖4）。

圖4 座環(huán)把合螺孔優(yōu)化Figure 4 Optimization of screw holes in seat rings

座環(huán)上把合螺孔擴(kuò)孔工藝控制。座環(huán)上螺紋孔需用數(shù)控鏜銑機(jī)進(jìn)行擴(kuò)孔，數(shù)控鏜銑機(jī)固定在支撐胎上，支撐胎置于底環(huán)上與座環(huán)使用搭焊塊搭焊牢固。

數(shù)控鏜銑機(jī)按照以下工藝進(jìn)行擴(kuò)孔：清理現(xiàn)場(chǎng)底環(huán)上平面、內(nèi)孔，座環(huán)上環(huán)板平面、內(nèi)孔，支撐胎清掃干凈；將支撐胎平吊至機(jī)坑，止口端朝下落于底環(huán)上平面；調(diào)整支撐胎與座環(huán)同心，偏差不大于5mm，塞尺檢查支撐胎與底環(huán)結(jié)合面間隙，滿足間隙不大于0.1mm；將支撐胎與座環(huán)使用搭焊塊搭焊牢固，搭焊塊圓周均布8個(gè)（見圖5）；在支撐胎上平面過支撐胎中心、座環(huán)兩螺孔中心連線中點(diǎn)劃輻射線，輻射線圓周等分共25條；清理支撐胎、鏜銑機(jī)安裝平面，鏜銑機(jī)吊落至鏜模上，調(diào)整鏜銑機(jī)位置至其底座邊緣距支撐胎中心190mm，底座900mm寬度方向?qū)ΨQ線與支撐胎上所劃的輻射線重合，保證座環(huán)上平面兩個(gè)螺紋孔中心在鏜銑機(jī)X、Y軸行程范圍內(nèi)，且距X、Y軸極限行程至少應(yīng)有10mm余量；使用百分表測(cè)量的鏜銑機(jī)主軸與座環(huán)上環(huán)板平面垂直偏差，調(diào)整水平調(diào)整頂絲，直至主軸軸線與座環(huán)上平面垂直度在0.05mm之內(nèi)；將鏜銑機(jī)與支撐胎固定牢固，鏜銑機(jī)主軸沿X、Y軸移動(dòng)，至主軸旋轉(zhuǎn)中心與原螺紋孔中心重合，偏差不大于0.20mm；擴(kuò)孔時(shí)先將M42螺紋擴(kuò)孔至φ50.5mm；然后使用棒銑刀層切φ50.5mm孔至M64底孔尺寸；再用螺紋銑刀按數(shù)控程序銑M64螺紋孔，去毛刺、清理；用標(biāo)準(zhǔn)塞規(guī)檢查螺紋孔符合要求；鏜銑機(jī)主軸沿X、Y軸移動(dòng)，至主軸旋轉(zhuǎn)中心與下一個(gè)原螺紋孔中心重合，偏差不大于0.20mm；重復(fù)以上步驟直至完成所有M64螺紋孔加工（見圖6）。

圖5 座環(huán)螺紋孔擴(kuò)孔裝配圖Figure 5 Assembly drawing of seat ring thread hole reaming

圖6 座環(huán)螺紋孔擴(kuò)孔Figure 6 Seat ring thread hole reaming

3 頂蓋螺栓及連接部件強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算

3.1 頂蓋螺栓強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算

本次計(jì)算考慮了機(jī)組6種運(yùn)行工況中載荷較大的4種工況，對(duì)頂蓋與座環(huán)連接螺栓的靜強(qiáng)度疲勞程度進(jìn)行計(jì)算，分別為：水輪機(jī)正常運(yùn)行、水泵正常運(yùn)行、水泵零流量工況、水輪機(jī)緊急關(guān)機(jī)（轉(zhuǎn)輪飛逸），各工況頂蓋水推力如圖7所示：

圖7 各工況頂蓋軸向水推力Figure 7 Axial water thrust of roof under various working conditions

當(dāng)頂蓋螺栓更換為M64×4后，哈爾濱電機(jī)廠依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制了螺栓強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)程序，并用此程序?qū)斏w螺栓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，如表2所示：

表2 頂蓋螺栓優(yōu)化后強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算Table 2 Strength check calculation of the top bolt after optimization

計(jì)算結(jié)果表明：

（1）螺栓最小直徑斷面及螺紋最小直徑斷面的靜應(yīng)力均小于80%的螺栓屈服極限[4]，螺栓是安全可靠的；

（2）在水泵水輪機(jī)各種運(yùn)行工況下，作用于頂蓋與座環(huán)連接法蘭面間的剩余預(yù)緊力與工作載荷的比值均大于0.5倍，此事螺栓預(yù)緊力與工作載荷[5]的比值均大于2倍，頂蓋與座環(huán)的聯(lián)接是安全可靠的。

3.2 頂蓋強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算

3.2.1 基本參數(shù)

上游最高水位：899m，下游最高水位：502m；

機(jī)組安裝高出：438m，升壓水頭：597.9m；

額定轉(zhuǎn)速fn：750r/min，活動(dòng)導(dǎo)葉格式Zg：20個(gè)；

轉(zhuǎn)輪葉片個(gè)數(shù)Zr：9個(gè)，單個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉重量：0.205t。

頂蓋材料特性及許用應(yīng)力如表3所示：

表3 頂蓋的材料特性及許用應(yīng)力Table 3 Material characteristics and allowable stresses of the roof

3.2.2 頂蓋強(qiáng)度計(jì)算

本次計(jì)算考慮了4種工況，分別是：水輪機(jī)正常運(yùn)行、水輪機(jī)甩負(fù)荷（過速）、水泵正常運(yùn)行、水泵零流量工況，起重水輪機(jī)甩負(fù)荷（過速）工況為過渡工況，其他工況均為正常工況，各種工況載荷值如表4所示：

表4 各工況載荷列表Table 4 List of loads in each working condition

通過有限元計(jì)算，得出頂蓋在各種工況下的應(yīng)力和變形，如表5所示：

表5 頂蓋的應(yīng)力和變形Table 5 Stress and deformation of roof

各工況下新頂蓋的應(yīng)力和變形分布如圖8所示。

由表5及圖8可知，頂蓋整體應(yīng)力水平較低，局部最大應(yīng)力發(fā)生在T肋板下端，各工況下的平均應(yīng)力和局部應(yīng)力都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，頂蓋的鋼強(qiáng)度可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 頂蓋有限元計(jì)算模型及應(yīng)力分布圖Figure 8 Finite element calculation model of roof and stress distribution diagram

3.3 蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算

當(dāng)座環(huán)上把合螺孔擴(kuò)孔至M64后，使用有限元法對(duì)蝸殼及座環(huán)的強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，并對(duì)座環(huán)螺紋孔擴(kuò)至M64后的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

3.3.1 計(jì)算參數(shù)

打壓壓力：8.7MPa，設(shè)計(jì)壓力：5.862MPa。

3.3.2 蝸殼材料及許用應(yīng)力

表6給出了蝸殼座環(huán)各部件的材料及特性：

表6 蝸殼座環(huán)材料及機(jī)械特性Table 6 Material and mechanical characteristics of volute seat ring

根據(jù)合同要求，水輪機(jī)/水泵正常運(yùn)行、水輪機(jī)甩負(fù)荷、水泵斷電等過度工況，最大應(yīng)力不得超過YS/3（高強(qiáng)度鋼板）或UTS/4（重要部件鑄鋼或鋼板），飛逸工況小于2YS/3，打壓工況小于0.9YS。這是針對(duì)解析法計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的平均應(yīng)力而言，其許用應(yīng)力數(shù)值見表7：

表7 合同文件中的平均許用應(yīng)力Table 7 Average allowable stresses in contract documents

而采用有限元法進(jìn)行分析，將得到結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力和應(yīng)力分布，應(yīng)給出不同的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)際上通用的應(yīng)力選擇方法是ASME的分析應(yīng)力準(zhǔn)則。ASME標(biāo)準(zhǔn)第8卷第2冊(cè)給出了一些有限元法計(jì)算應(yīng)力的限制應(yīng)力，并將應(yīng)力分類如下：

Pm：一次總體薄膜應(yīng)力；

Pl：一次局部薄膜應(yīng)力（不連續(xù)但沒有應(yīng)力集中）；

Pb：一次彎曲應(yīng)力；

Q：二次應(yīng)力（二次薄膜應(yīng)力+不連續(xù)的彎曲應(yīng)力）。

對(duì)于設(shè)計(jì)壓力的參考應(yīng)力為：

不同應(yīng)力的許用應(yīng)力定義為：

但在特殊情況，試驗(yàn)壓力作用下，蝸殼的許用應(yīng)力為：

表9給出了蝸殼座環(huán)各部件按ASME標(biāo)準(zhǔn)第8卷第2冊(cè)的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)考核的應(yīng)力值。

3.3.3 蝸殼座環(huán)的剛強(qiáng)度計(jì)算分析

通常蝸殼進(jìn)口段的應(yīng)力最大，以該扇形區(qū)域作為計(jì)算對(duì)象，不考慮混凝土聯(lián)合受力的影響，選取包含具有2個(gè)固定導(dǎo)葉在內(nèi)的36°扇形區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)分析模型，全部采用塊體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，有限網(wǎng)格分析模型如圖9、圖10所示。

表8 ASME標(biāo)準(zhǔn)第8卷第2冊(cè)的許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Allowable stress criteria for ASME standards， volume 8， volume 2

圖9 蝸殼座環(huán)剛強(qiáng)度有限元計(jì)算模型Figure 9 Finite element calculation model of rigid strength of volute seat ring

圖10 飛逸工況螺紋孔附近的應(yīng)力分布Figure 10 Stress distribution near the threaded hole in flight conditions

蝸殼座環(huán)的計(jì)算載荷主要考慮水壓力和頂蓋傳遞的拉力。本次計(jì)算分析了水輪機(jī)正常運(yùn)行、甩負(fù)荷、飛逸、水泵正常運(yùn)行、水泵零流量和打壓六種工況，具體載荷見表9，表中數(shù)據(jù)均取自水壓力計(jì)算報(bào)告。

通過有限元法計(jì)算出蝸殼座環(huán)各部件的最大應(yīng)力及固定導(dǎo)葉中間橫斷面的應(yīng)力值，詳見表10。

表9 蝸殼座環(huán)計(jì)算工況及載荷Table 9 Calculation conditions and loads of volute seat ring

表10 蝸殼座環(huán)各部件最大應(yīng)力Table 10 Maximum stress of all components of volute seat ring

由表10中復(fù)核結(jié)果可看出，蝸殼座環(huán)各部件的平均應(yīng)力滿足合同規(guī)定的平均許用應(yīng)力要求，有限元法得到的局部應(yīng)力也滿足ASME標(biāo)準(zhǔn)第8卷第2冊(cè)給出的許用應(yīng)力限值。

當(dāng)頂蓋與座環(huán)的把合螺栓由原來的M42改為M64后，座環(huán)上把合螺紋孔也響應(yīng)擴(kuò)至M64。擴(kuò)孔后，對(duì)座環(huán)環(huán)板的應(yīng)力影響計(jì)算結(jié)果見表11。

表11 座環(huán)螺紋孔擴(kuò)孔后的應(yīng)力Table 11 Stress after reaming thread hole of seat ring

綜上所述：

（1）蝸殼座環(huán)強(qiáng)度滿足材料許用應(yīng)力要求；

（2）螺紋孔擴(kuò)至M64后，螺紋孔附近的應(yīng)力水平較低，對(duì)座環(huán)強(qiáng)度的影響很小。

4 結(jié)束語

回龍抽水蓄能電站通過頂蓋螺栓及其連接部件重新設(shè)計(jì)選型及優(yōu)化，并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)有序的安裝及安裝過程的嚴(yán)格工藝控制，確保了頂蓋螺栓在各種工況下運(yùn)行有足夠的安全裕度，保證了頂蓋與座環(huán)連接的安全可靠，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了有力保障。目前2臺(tái)機(jī)均完成了機(jī)械過速試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)單甩負(fù)荷及雙機(jī)同甩負(fù)荷試驗(yàn)，現(xiàn)運(yùn)行情況良好。本文通過對(duì)回龍抽水蓄能電站頂蓋螺栓及其連接部件重新設(shè)計(jì)選型及優(yōu)化重要工藝過程總結(jié)和分析介紹，希望可以給類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造以及安裝提供一定的借鑒。