汽轮机高压缸中分面联接螺栓内孔加工研究李文明

汽轮机高压缸中分面联接螺栓内孔加工研究李文明

李文明

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046）

摘要：汽轮机的高压缸是汽轮机的重要组成部分。当汽轮机工作时，螺栓承受高温和高压载荷，使用液压扳手拧紧联接螺栓，为确保足够的预紧力，通常是通过加热和拉伸预紧工艺。本文主要针对加热螺栓是内孔加工技术进行了探讨。

关键词：汽轮机；高压缸；联接螺栓；内孔加工

前言

螺栓联接由于使用方便和联接可靠，是当今工业中重要的和最常见的一种机械联接方式。螺栓结构通过施加预紧力使多个接触面之间产生紧密结合的压紧应力，这种由压紧应力产生的联接刚度会直接影响结构的力学属性和行为，这是螺栓联接结构区别于其它结构的重要特点。螺栓联接一般采用热紧法或者冷紧拉伸技术：

1热紧法流程和时间

大亚湾核电站汽轮机高压缸中分面螺栓热紧法紧固流程及其时间主要有:为消除中分面间隙首先紧固高压缸中部位置的8颗127mm螺栓,待冷却至室温后测量螺栓伸长量,冷却需要8～12h,如加热螺栓数量多引起缸体温升则冷却时间更长;若伸长量不合格将进行热紧调整合格后再紧固其余52颗螺栓。螺栓一次热紧完成且无需调整的情况大约需40h,若进行多次热紧调整,则每次需要额外增加12h。大亚湾机组投入运行已超过20a,每次有开缸检修工作时,虽然严格按程序要求的弧长进行热紧,但很多螺栓伸长量仍会超出标准范围,多次热紧调整耗费了大量时间,严重阻碍缩短大修工期的目标。

2机械冷紧拉伸技术

机械冷紧拉伸技术是美国凯特克公司在20世纪90年代中期发明的,最早于1996年在美国Exelon-Limerick核电站应用,国内最早于2009年在钢铁和电力行业开始应用。大亚湾核电站高压缸中分面改机械冷紧拉伸方式具体方案为:将原汽缸中分面螺栓为双头螺栓,保留使用原双头螺栓和下部螺母,将上部螺母替换为HYTORC机械式拉伸螺母。该方案通过将普通螺母更换为3件组成的机械式拉伸螺母,利用高精度的液压紧固机具通过扭矩旋转拉伸方式直接达到额定螺栓预紧力。HYTORC液压紧固机具工作时,紧固机具的驱动齿与外部转动套城墙齿咬合在一起驱动外部转动套旋转,内部螺纹套与紧固机具的芯轴通过花键咬合保持不动,通过旋转外部转动套就拉动内部螺纹套及与其螺纹咬合的螺栓向上运动,同时将拉伸螺栓的力转移到外部转动套下面的花键垫圈上,花键垫圈内侧与内部螺纹套也通过花键连接固定不动,并最终将力传递到汽缸法兰面上。这样所有的相对运动都发生在HYTORC机械式拉伸螺母中,形成一个独立的力系统。

3螺栓内孔加工研究

螺栓内孔有着严格的加工要求，表面粗糙度Ra3.2，孔偏心公差不超过0.3m，材料型号为422（1Cr10NiMoW2VNbN-5），硬度275~310HB，属于细长孔加工，细长孔加工是加工工序中难度较大的内容。厂内使用的机床是Z2120A型深孔钻床，比较老旧，刚性较差。

3.1加工试验研究

试验采用BTA内排屑深孔钻，用于加工准6～准60mm、长径比L/D大于100、精度H7～H9级、表面粗糙度Ra3.2的深孔，生产效率是外排屑的3倍以上。

1）钻孔注意事项：工件端面应与工件轴心线垂直，以保证端面密封可靠；正式加工前在工件孔位上预钻一个浅孔，引钻时可起到导向定心作用；为保证刀具加工寿命，最好采用自动进给走刀；进液器、活动中心支承中的各导向套如有磨损，应及时更换，以免影响钻孔精度。

2）深孔加工操作要点：主轴和刀具导向套、刀杆支承套、工件支承套等中心线的同轴度应符合要求；切削液系统应保证正常；工件的加工端面上不应有中心孔；切屑形状应保持正常，避免生成直带状切屑；采用较高速度加工通孔，当钻头即将钻通时，应降速或停机以防损坏钻头。

3）深孔加工切削液：深孔加工过程中会产生大量切削热并不易排出，需要供给充足的切削液润滑冷却刀具。一般选用1:100乳化液或极压乳化液；最好选用极压乳化液或高浓度极压乳化液，可获得较高加工精度和表面质量，切削油的运动黏度通常选用（40℃）10～20cm2/s，切削液流速为15～18m/s；如果排油不畅，可适当选用黏度低的切削油；对于此类精度高的深孔加工，可选用切削油配比为40%的极压硫化油+40%煤油+20%氯化石蜡。

4）本次试刀一共试了3种规格的刀片。

a.C5材质、TICN涂层、HI槽型（080918-504）4PCS。由于该设备较老，为保证安全，按照原先的转速和进给速度，按照原来的参数加工的Vc=47m/min，f=0.08mm/min。结果是铁屑较长，易堵塞内排屑管道，且加工了2～3个零件后刀片切削刃靠外侧倒角处的磨损特别严重，寿命不长，性价比不好。针对出现的铁屑较长易堵塞的问题，经过排查后，决定把排屑管后部原来的的直角弯管改为圆弧弯管，应用后发现效果很好几乎不再堵塞。

b.C2材质、TiCN涂层、HI槽型（090417-531）4PCS。Vc=47m/min，f=0.08mm/min。同样的涂层和槽型，同样的参数，但加工后发现寿命比C5高很多，6个新刀片刚做时铁屑较长几乎整根不断，每做一根铁屑就越短，做到最后第6根时断屑形状为C型，刀片切削刃磨损较均匀且轻微，可再做，但考虑到工件的安全性未在加工。

c.C2材质、TiAlN涂层、标准T-A（1C22A-29）2PCS。Vc=47m/min，f=0.08mm/min。加工完8个工件后发现铁屑从第1个到第8个几乎没有什么改变，切削刃磨损较090417-531小，均匀，前刀面上磨损也比090417-531小，分析估计连续加工时间长油温也较高，TiAlN涂层比TiCN涂层更耐磨，性价比较高，且换刀简单。

3.2改进前后的加工参数对比总结

1）工艺改进前加工参数，加工效果及刀具损耗。刀柄：两根长1700mm钻杆。刀片为单刃镶硬质合金钻头。材质为硬质合金，国产。冷却方式为油冷（高压）。切削速度VC=47.4m/min。进给速度f=0.09mm/r。切削长度为1550mm。转速为521r/min。刀具寿命为1～2/pcs。表面粗糙度很少能达到Ra3.2。2）工艺改进后加工参数，加工效果及刀具损耗。刀柄：080806-47，080806-48，080807-3，非标BTA的钻杆。刀片：a.C5材质，TiCN涂层，HI槽型（080918-504）；b.C2TiCNHI（090417-531）；c.C2TiAlNT-A（1C22A-29）。材质为C5，C2。冷却方式为油冷（高压）。切削速度VC=47.4m/min。进给速度f=0.09mm/r。切削长度为1550mm。转速为521r/min。刀具寿命为6～8/pcs。表面粗糙度Ra3.2较好。通过对比，显而易见，工艺及加工刀具改进后刀片损耗降低很多，同时孔的表面质量有所提高。

结束语

由于Z2120A深孔钻床老化，机床刚性差，加工螺栓内孔形位公差及表面质量达不到图样的设计要求，废品率多，严重影响交货期，而更换一台深孔钻设备成本要500万元左右，成本较高。通过改进刀具工装，改善加工参数，很好地解决了这个问题，节省了成本，提高了效率。

参考文献

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