HK—93型坡口機(jī)在混流式水輪機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

江蘇航天水力設(shè)備有限公司（高郵 225600）楊文祥 周廣新 孫陽(yáng)光

1.概述

蝸殼結(jié)構(gòu)是混流式水輪機(jī)的重要部件，也是水電站廠房中的重要建筑物，蝸殼結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)組的穩(wěn)定安全運(yùn)行，是電站建設(shè)中重要的技術(shù)問題。在水力方面，蝸殼是將承壓的水流導(dǎo)入到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的通道。蝸殼位于水電站發(fā)電水力通道的末端，是水壓和流速最大的地方。在結(jié)構(gòu)方面，蝸殼結(jié)構(gòu)通常是指由鋼蝸殼和座環(huán)組成的鋼部件與其外圍鋼筋混凝土組成的整體結(jié)構(gòu)，蝸殼必須滿足在承受各種靜、動(dòng)荷載時(shí)的強(qiáng)度和剛度要求，以保證機(jī)組在各種工況下的安全。蝸殼承受的靜荷載主要有內(nèi)水壓力、水輪發(fā)電機(jī)組的重量、廠房樓板傳遞的設(shè)備荷載、結(jié)構(gòu)自重等；動(dòng)荷載有蝸殼流道內(nèi)的水錘壓力、作用在轉(zhuǎn)輪上的推力、作用在發(fā)電機(jī)上的扭矩、流道內(nèi)的脈動(dòng)水壓力及地震力等，因此蝸殼結(jié)構(gòu)必須滿足有關(guān)規(guī)范和水輪發(fā)電機(jī)組制造廠規(guī)定的強(qiáng)度、剛度（變形）及抗震等方面要求。

2.蝸殼的工藝要求

蝸殼的各焊縫應(yīng)按GB/T8564—2000《水輪發(fā)電機(jī)安裝技術(shù)規(guī)范》及JB/T4730—1994《鋼板焊接容器技術(shù)要求》進(jìn)行，全部焊縫長(zhǎng)度按JB/T4730—1994（UT2級(jí)）檢測(cè)，不能用UT2級(jí)檢測(cè)的，用RT檢測(cè)。蝸殼做水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為2.2MPa，歷時(shí)30min，不得有滲漏現(xiàn)象。

3.蝸殼焊接坡口制備方案的確定

我公司2012年承接的黑龍江大唐東升水電站HLY115—LJ—192混流式水輪機(jī)4臺(tái)，其水輪機(jī)蝸殼管身用電腦放樣，數(shù)控下料，蝸殼結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于蝸殼結(jié)構(gòu)的每節(jié)蝸節(jié)都是弧形邊展開料（見圖2），而且蝸節(jié)之間的焊縫質(zhì)量要求很高，所以坡口的表面粗糙度要求就高，因此人工制備該坡口的方案被否決。隨后又提出不制備焊接坡口直接組裝后碳弧氣刨兩側(cè)制備焊接坡口，但是坡口的表面粗糙度、深度及寬度不能保證一致，這將無(wú)法保證焊縫質(zhì)量的高要求；再加上兩面碳弧氣刨的煙塵以及勞動(dòng)強(qiáng)度較大，因此第二種方案也被否決。最后筆者經(jīng)過深思熟慮以及翻閱關(guān)于焊接坡口制備的相關(guān)資料，決定采取外側(cè)用HK—93型坡口機(jī)倒坡口制備，坡口留有2mm鈍邊，內(nèi)側(cè)碳弧氣刨清根的坡口制備方案。

圖1 蝸殼結(jié)構(gòu)

圖2 蝸節(jié)展開料

4.坡口機(jī)說(shuō)明

HK—93型坡口機(jī)機(jī)身采用高強(qiáng)度鋁合金材料壓鑄制作，體積小，移動(dòng)快速靈活。切割氧帶快速開關(guān)，操作方便，所有控制均由單手完成，可手動(dòng)控制切割各種不規(guī)則形狀邊角及圓弧，并擅長(zhǎng)急轉(zhuǎn)彎的操作，可進(jìn)行直線、導(dǎo)向坡口I形、V形（45°）、圓周及圓弧切割，適用于造船、石油、冶金、金屬結(jié)構(gòu)等行業(yè)。實(shí)際切割情況如圖3所示。

圖3 坡口機(jī)實(shí)際切割

5.蝸節(jié)焊接坡口的基本形式與尺寸

根據(jù)焊條電弧焊和氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸（GB/T985—1988）以及實(shí)際生產(chǎn)情況，該蝸節(jié)對(duì)接焊縫應(yīng)選擇對(duì)接接頭清根焊縫，屬于帶鈍邊V形；根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，鈍邊P=2mm、坡口角度55°±2.5°，碳弧清根的最小值t=5mm。根據(jù)蝸殼外形CAD圖樣可知，每節(jié)蝸殼的自然裝配間隙d=4.7～5.26mm，要計(jì)算出按照標(biāo)準(zhǔn)55°的坡口寬度，然后減去裝配的自然間隙計(jì)算實(shí)際的坡口角度。按照5mm計(jì)算實(shí)際倒角的角度為41.78°，取40°。同時(shí)可以計(jì)算出蝸節(jié)倒角時(shí)可沿圓弧邊緣往里7mm倒角，倒角示意如圖4所示。

圖4 倒角示意

6.焊接坡口制備后的實(shí)際裝配和焊接情況

制備坡口之后用卷板機(jī)將蝸殼卷制成形(見圖5)。根據(jù)實(shí)際尺寸情況，蝸節(jié)共23節(jié)，16～23節(jié)直徑較小無(wú)法用卷板機(jī)卷制，可按實(shí)際展開長(zhǎng)度的1/2進(jìn)行下料，后壓制圓弧成形，兩個(gè)1/2處對(duì)接，按照每節(jié)環(huán)縫的要求制備焊接坡口。由于實(shí)際尺寸情況，對(duì)23節(jié)蝸節(jié)進(jìn)行分節(jié)組裝和焊接，分別為1～5、6～10、11～15、16～19、20～23。每節(jié)蝸節(jié)組裝前對(duì)對(duì)接坡口進(jìn)行打磨處理，保證坡口的表面粗糙度和平整度，使用300～350℃烘烤1h的J507焊條在內(nèi)側(cè)進(jìn)行定位焊，按照冷作工的工作規(guī)程，定位焊的焊縫長(zhǎng)度為20～50mm，間距為200～500mm。外側(cè)坡口（坡口形狀見圖6）焊接完成之后（焊縫成形見圖7），對(duì)內(nèi)側(cè)接縫處碳弧清根，打磨光滑之后對(duì)坡口進(jìn)行焊接，焊接方法同外側(cè)坡口一致，焊接內(nèi)側(cè)坡口時(shí)要注意焊縫的熔合情況。待所有分段組裝的蝸節(jié)焊接完成之后對(duì)它們進(jìn)行超聲波探傷，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730—1994（UT2級(jí)）。

所有焊縫在焊接完成后進(jìn)行了超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)只有第19、20節(jié)的接縫處有一點(diǎn)超標(biāo)，經(jīng)探傷員測(cè)定為一未熔合缺陷，深度15.3mm（第19與20節(jié)板材厚度為16mm），后直接對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行碳弧清理，確能看見缺陷，對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)焊24h之后進(jìn)行超聲波復(fù)探，探傷結(jié)果合格。對(duì)最終蝸殼進(jìn)行2.2MPa的水壓試驗(yàn)30min，沒有滲漏現(xiàn)象。

圖5 卷制完成的蝸節(jié)

圖6 坡口形狀

圖7 焊縫成形

7.結(jié)語(yǔ)

（1）采用上述的焊接坡口制備方案，焊縫成形良好，該工藝對(duì)低合金鋼的焊接與接頭質(zhì)量有保證，能夠達(dá)到工藝要求，這對(duì)以后該類產(chǎn)品的生產(chǎn)和制作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

（2）生產(chǎn)實(shí)踐證明，良好的制作方法可以縮短加工的周期，降低生產(chǎn)成本，在生產(chǎn)中應(yīng)不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)來(lái)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。