超大型卷筒制造工藝技術(shù)

閆 軍

(中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 416100)

1 慨 述

在水電工程起重設(shè)備中，卷筒裝置的制造加工是卷揚式啟閉機和升船機等大型機械設(shè)備制造中最為重要和關(guān)鍵的部件。在這些大型機械設(shè)備中，卷筒為超大型結(jié)構(gòu)，通常采用的均為焊接結(jié)構(gòu)，卷筒直徑尺寸大，鋼板厚度厚，重量重，焊接工作量大且焊縫質(zhì)量要求高，卷筒卷制精度高。例如烏江構(gòu)皮灘水電站500 t升船機主起升卷筒名義直徑為4 600 mm，加工后壁厚達到127 mm，單件卷筒重量達102 t。因此，超大型卷筒的成型、焊接及加工工藝技術(shù)是解決卷筒裝置制造的關(guān)鍵技術(shù)所在。部分水電工程設(shè)備超大型卷筒主要參數(shù)見表1。

2 主要制造工藝技術(shù)

表1 部分水電工程設(shè)備超大型卷筒主要參數(shù)表

卷筒制造采用的主要工藝流程見圖1。

2.1 工藝技術(shù)準備

(1)卷筒體機加工余量的確定。

卷筒體鋼板在采購前首先應(yīng)確定機加工余量。機加工余量主要是指卷筒體壁厚的機加工余量。大型卷筒體壁厚通常為60～120 mm，材質(zhì)一般為 Q345B，機加工余量的選擇應(yīng)根據(jù)制造水平及技術(shù)要求等因素綜合進行考慮，按照卷筒卷制成型后的筒體毛坯尺寸及形狀誤差，預(yù)留出適當?shù)募庸び嗔俊＞C合各方面因素進行分析和經(jīng)驗總結(jié)得知大型卷筒體壁厚一般預(yù)留 8 mm的加工余量。

(2)卷筒體分節(jié)方案的確定。

卷筒體的長度通常大于3 m。由于卷筒體鋼板較厚，受鋼廠軋制及卷板機能力的限制，一般情況下需將筒體分成2節(jié)或多節(jié)卷成筒體后進行筒體對接。鑒于筒節(jié)對接環(huán)縫需錯開卷筒中部位置，因此，為充分利用材料，卷筒體鋼板采用定尺采購，并使對接環(huán)向焊縫避開卷筒中部200 mm以上。筒節(jié)縱向焊縫按規(guī)范要求錯開，避免“+”字焊縫。

2.2 鋼板下料及坡口加工

鋼板進廠檢驗合格后，根據(jù)卷筒體展開尺寸放樣，采用數(shù)控切割機下料，下料后加工坡口。坡口加工方案制定的原則以適應(yīng)高效焊接的自動化焊接方法為主，根據(jù)不同的板厚確定不同尺寸的坡口。通常卷筒體對接環(huán)縫、縱縫坡口均采用不對稱雙 Y或U型坡口；輪幅與筒體的組合焊縫采用帶鈍邊單 U型坡口以提高焊接效率。

圖1 卷筒制造主要工藝流程圖

2.3 筒體節(jié)的卷制

鋼板下料、坡口加工完成并經(jīng)檢驗合格后方可進行卷板。卷制前應(yīng)制定詳細的卷制要求，根據(jù)不同的板厚及板的寬度選擇適合的卷板機設(shè)備。當鋼管內(nèi)徑D與壁厚δ滿足D≥33δ時方可冷卷，否則應(yīng)熱卷或冷卷后進行熱處理。應(yīng)事先制作好卷筒內(nèi)徑檢查樣板。卷板前及卷制過程中，應(yīng)將鋼板表面已剝離的氧化皮和其他雜物清理干凈，避免其表面被壓傷。

卷制前，須仔細將鋼板對中找正，確保工件的母線與輥筒軸線平行，防止卷制中產(chǎn)生扭斜。卷制過程中隨時用樣板檢測卷筒內(nèi)側(cè)的弧度。卷圓方式為多次進給。為防止冷卷時回彈，必須施加一定的過卷量，在所需的過卷量達到后，還應(yīng)在此曲率下來回多卷幾次。

將卷制好的筒節(jié)放在專用平臺上，用樣板檢測筒節(jié)內(nèi)側(cè)的弧度，檢測筒節(jié)外圓周長、直徑圓度、扭曲等尺寸，通過火焰或機械方式對筒節(jié)進行校正，待尺寸滿足技術(shù)要求后方可進行焊接。

2.4 卷筒的組裝

(1)輪轂與幅板、筋板的組裝。

在工裝平臺上組裝輪轂與幅板，組裝前檢驗輪轂與幅板的所有尺寸及坡口均應(yīng)符合技術(shù)要求。

先在平臺上用水準儀調(diào)整好幅板的水平并固定。吊裝輪轂，控制輪轂上表面與幅板的距離符合要求，檢測輪轂上表面水平、輪轂中心豎直并控制輪轂與幅板的環(huán)向坡口間隙均勻。組裝筋板，工裝固定，定位焊；定位焊要求同正式焊縫。焊接后按照技術(shù)要求進行探傷，探傷檢驗合格后，進入卷筒體對接組裝工序。

(2)卷筒體的組裝。

在專用平臺上放樣，吊裝單節(jié)筒節(jié)，使筒節(jié)軸線垂直于平臺，調(diào)整到位后用工裝與平臺固定。吊裝另外一節(jié)筒節(jié)，必需保證兩節(jié)筒節(jié)的同軸度，注意兩節(jié)卷筒的縱縫錯開 90°以上，使用工裝連接固定，定位焊焊接要求同正式焊縫；對于兩節(jié)以上的筒節(jié)依次進行組裝。

焊接卷筒對接環(huán)縫，按技術(shù)要求進行探傷，探傷檢驗合格后進入卷筒體整體組裝工序。

(3)卷筒整體組裝。

在卷筒組裝專用平臺上，將下端的輪轂與幅板組裝成的部件吊裝到位，將其下端墊起一定高度，以能滿足檢查要求即可。吊裝卷筒插入幅板部件，調(diào)整并使卷筒中心垂直于水平面，保證其上端面水平。調(diào)整到位后檢驗以下尺寸符合要求后予以固定：

①下端輪轂中心與卷筒中心的同軸度。

②下端輪轂外端面與卷筒體外端面的平行度及距離。

將上端的輪轂與幅板組裝成的部件吊裝到位，調(diào)整到位并檢驗以下尺寸合格后予以固定。

①上、下兩端輪轂中心與卷筒中心的同軸度。

②上、下兩端輪轂之間的距離。

③上、下兩端輪轂到上、下兩端卷筒體端面的距離。

④卷筒整體焊接，焊接完成后整體退火。

2.5 卷筒的焊接

(1)焊接方法。

筒節(jié)在卷制后其縱縫的焊接以及組裝后的筒體環(huán)形對接焊縫的焊接均采用埋弧自動焊接操作機進行焊接。埋弧自動焊接操作機是焊接各種筒體等回轉(zhuǎn)體零件的理想裝備，可實現(xiàn)筒體的縱、環(huán)縫埋弧自動焊接，能夠大大提高焊縫質(zhì)量，減輕焊工的勞動強度，提高生產(chǎn)率。

輪轂與幅板的組合焊縫采用熔化極 CO2氣體保護焊。

筒體與幅板的組合焊縫采用一種自主發(fā)明的自動回轉(zhuǎn)焊接裝置，利用該裝置可以實現(xiàn)平焊位環(huán)形焊縫的埋弧自動焊接。該自動回轉(zhuǎn)焊接裝置為：

以往卷筒體與幅板的環(huán)形焊縫一般是用手工焊接完成的，當遇到卷筒直徑很大且焊縫坡口尺寸很深時，焊接過程將需要多名焊工花費很長的時間且焊接質(zhì)量還不能夠完全得到保障。因此，我們從實際出發(fā)，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)型式，發(fā)明、設(shè)計了一套回轉(zhuǎn)裝置，將現(xiàn)有的埋弧焊機用于焊接卷筒的環(huán)形焊縫，從而實現(xiàn)了卷筒類端面環(huán)形焊縫的自動焊接，有效提高了焊接質(zhì)量和效率，降低了勞動強度。

自動回轉(zhuǎn)焊接裝置主要由環(huán)形底板(或圓鋼、角鋼)、定心圓盤、連桿、連桿套管、絕緣夾座及萬向腳輪等部件組成。利用該裝置使埋弧焊機小車圍繞卷筒圓心做勻速圓周運動，從而保證了焊縫質(zhì)量。自動回轉(zhuǎn)焊接裝置見圖2。

(2)焊接操作技術(shù)。

圖2 自動回轉(zhuǎn)焊接裝置圖

一般而言，卷筒體兩端部焊縫集中，封閉焊縫多，鋼板厚度大。卷筒體和輪輻板材質(zhì)一般為Q345B，為低合金結(jié)構(gòu)鋼，輪轂一般采用35#或45#鍛鋼，為中碳結(jié)構(gòu)鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼焊接性能良好，而中碳結(jié)構(gòu)鋼其焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對焊接熱輸入較為敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向較大，對氫致裂紋敏感性較大，同時，由于輪轂部位焊縫集中，填充量大，焊接熱輸入大，加之其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，焊接應(yīng)力大，容易產(chǎn)生焊接裂紋及焊接變形等問題，因此，為保證筒體質(zhì)量，必須合理編排焊接工藝。

選擇焊材的原則：

按等強度原則選擇焊材，以保證焊縫力學性能與母材相匹配。

考慮母材的化學成分、焊接性、接頭形式并結(jié)合結(jié)構(gòu)的特點、使用條件和焊接方法。

考慮焊材的操作工藝性能，如焊接熔池的流動性、飛濺大小、焊絲直徑的均勻性、焊絲挺度等。

在滿足上述條件的前提下，考慮焊材的經(jīng)濟適用性。

(3)焊接工藝的評定。

對于未使用過的鋼材，在正式施焊前，必須根據(jù) NB/T35051-2015《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》的要求進行焊接工藝評定，通過對焊接接頭的力學性能或其他性能的試驗驗證焊接工藝規(guī)程的正確性和合理性。

(4)焊前準備。

焊接材料在施焊前一定要按規(guī)定的溫度和時間進行烘烤。焊絲確保清潔干燥且焊絲呈盤狀。檢查焊機是否完好，包括行走小車、送絲裝置、控制系統(tǒng)、儀表指示以及導(dǎo)電嘴與焊絲的接觸緊密度、端線連接情況等。

選擇合理的焊接規(guī)范參數(shù)。焊縫施焊前，應(yīng)將坡口及其兩側(cè) 100 mm范圍內(nèi)的鐵銹、熔渣、油垢、水跡等清除干凈。必須在焊道前后兩端設(shè)置引弧和熄弧板。定位焊厚度8 mm、長度50 mm以上、間距300 mm時，定位焊的引弧和熄弧必須在坡口內(nèi)進行，并于正式開焊前清除定位焊表面的焊渣等。

(5)焊前預(yù)熱。

鋼板卷制的卷筒材料通常為Q345B，雖然其焊接性能較好，但由于其板厚、剛性較大，焊接接頭質(zhì)量要求高，如果焊接環(huán)境溫度較低，接頭焊后冷卻速度較快，裂紋傾向就會增大。因此，必須根據(jù) NB/T35051規(guī)范要求，制定實際焊前預(yù)熱工藝參數(shù)。預(yù)熱時需配置帶溫控的加熱設(shè)備對母材均勻加熱，按照焊接工藝規(guī)定的預(yù)熱溫度進行加熱，預(yù)熱區(qū)的寬度為焊縫中心線兩側(cè)各 3倍板厚且不小于100 mm，用紅外線測溫槍在焊道中心兩側(cè)50 mm處對稱測量，測量點應(yīng)不少于 3對。在焊接過程中，應(yīng)控制焊縫層間溫度不低于預(yù)熱溫度，且不高于 200 ℃。

(6)焊接及其過程控制。

對于卷筒上的每一條焊縫必須連續(xù)施焊，中間不允許停歇。

對于厚板雙面坡口焊縫，應(yīng)根據(jù)焊接工藝文件對焊接變形控制的要求確定焊縫坡口兩面的焊接順序。

厚板焊縫采用多層多道焊，焊縫層間接頭至少錯開 30 mm以上，單層焊縫厚度不大于 5～6 mm。每層焊縫焊完后，需要用鋼刷或角磨機清理焊道，將熔渣、飛濺等去除并將焊道打磨光滑。

對于焊接應(yīng)力及變形的控制，除第一層焊縫和蓋面層焊縫外，中間各層在焊接時可采用錘擊消除應(yīng)力，以避免裂紋的產(chǎn)生。

厚板雙面坡口縫施焊時，隨時監(jiān)測焊接變形情況，適時調(diào)整坡口兩面的焊接順序。

(7)焊縫質(zhì)量要求。

焊縫不允許有裂紋、夾渣、氣孔、焊瘤、飛濺等。焊接完成 24 h后，對已完成的焊道按 NB/T35051規(guī)范要求的一類焊縫進行超聲波探傷檢查。除進行 100%超聲波探傷檢查外，還可按一定的比例進行 TOFD復(fù)驗。

(8)消除應(yīng)力熱處理。

卷筒焊縫經(jīng)探傷檢查合格后，在大型退火爐內(nèi)進行整體消除應(yīng)力的退火處理，以消除焊接及校正應(yīng)力，穩(wěn)定組織，為保證筒體加工精度做好準備。

2.6 卷筒加工

(1)數(shù)控車床加工法。對于超大型折線卷筒繩槽的加工，必須在數(shù)控車床上進行，通過編制程序?qū)崿F(xiàn)整個繩槽的控制加工過程。數(shù)控機床加工的優(yōu)點是加工精度高、效率高, 但加工費用亦高。

(2)車床加工法。主要用于螺旋卷筒的加工。

3 結(jié) 語

上述大型卷筒制造工藝技術(shù)已成功應(yīng)用于湖北丹江口、烏江沙沱、構(gòu)皮灘等眾多大型水電工程升船機超大卷筒裝置的制作，取得了良好的效果。