白鶴灘水輪機座環(huán)制造技術研究

昝竹青，李 鑫，楊思晉，喬宏來，康永林，宋剛云

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

白鶴灘項目單機容量為100萬千瓦，是目前世界第一個百萬千瓦水電機組。座環(huán)作為水輪機機組的關鍵承載部件[1]，在制造過程中主要有兩個方面難點：材料強度等級高、焊接難度大；尺寸大，精度高，分瓣加工及整體加工存在挑戰(zhàn)。本文主要從以上兩個方面著手，分析兩個方面的制造難點及解決措施。

1 白鶴灘座環(huán)焊接難點

1.1 焊接材料的選擇

白鶴灘座環(huán)為大型混流式常見結構，分4瓣，總重505 t，高3 956 mm，最大外圓20.5 m，結構如圖1所示。

白鶴灘座環(huán)環(huán)板材料為SXQ500D-Z35，厚度260 mm，是材料廠家針對百萬水電機組開發(fā)的500 MPa級大厚度高強Z向抗撕裂鋼板[2]，固定導葉材料采用鍛鋼ASTM A668 Class E。焊材選擇按照等強度匹配原則進行，選擇60 kg級焊絲AWS A5.28 ER90S-G，抗拉強度大于620 MPa，-20 ℃沖擊功大于47 J，且熔敷金屬擴散氫含量HD≤4.0 ml/100 g。

1.2 預熱溫度的確定

由于SXQ500D-Z35和ASTM A668 Class E材料冷裂傾向較大，焊前必須預熱，為了讓預熱溫度具有合理性，依據GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗》進行斜Y型坡口試驗。斜Y型坡口焊接裂紋試驗板厚為50 mm[3]。選取50 ℃、100 ℃和120 ℃進行試驗。焊接工藝參數按照表1執(zhí)行。

表1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗焊接工藝參數

焊接后，48 h自然空冷，經外觀檢查后將試件解剖成5件試樣，對斷面進行打磨、拋光和腐蝕后，利用宏觀金相顯微鏡進行5個斷面的表面裂紋和端面裂紋檢查。分別計算出表面裂紋率和斷面裂紋率，如表2所示。

表2 SXQ500D-Z35斜Y型坡口焊接裂紋試驗結果

根據表2試驗數據，合理地選擇預熱溫度十分重要，焊前預熱可有效的防止冷裂紋。預熱溫度過高，惡化勞動條件[4]。預熱溫度的選擇根據母材冷裂敏感指數、抗拉強度、板厚及焊接接頭的拘束應力等因素進行綜合考慮，白鶴灘座環(huán)環(huán)板SXQ500D-Z35和固定導葉ASTM A668 Class E焊接預熱溫度：T0≥120 ℃。圖2為SXQ500D-Z35鋼板鐵研試件典型解剖斷面。

圖2 SXQ500D-Z35鋼板鐵研試件解剖斷面

1.3 焊接工藝評定試驗

白鶴灘座環(huán)焊接主要環(huán)板SXQ500D-Z35與固定導葉ASTM A668 Class E之間的焊接，工藝評定試驗依據ASME《鍋爐及壓力容器》第Ⅸ卷焊接評定標準進行。焊接方法選用熔化極氣體保護焊，其坡口形式為對接X型坡口，鋼板厚度240 mm，涉及工藝評定主要包含： SXQ500D-Z35與SXQ500D-Z35、SXQ500D-Z35與ASTM A668 Class E及ASTM A668 Class E與ASTM A668 Class E三種焊接工藝評定[5]。焊后進行560±15 ℃熱處理后進行力學性能試驗，包含拉伸試驗、導向彎曲試驗和缺口韌性試驗，試驗數據如表3。各力學性能指標均能滿足材料的使用要求，評定合格，可用于厚度16 mm

表3 焊接工藝評定試驗力學性能

1.4 焊接變形及缺陷控制

(1) 合理布置臨時工藝支撐。座環(huán)環(huán)板與固定導葉之間布置臨時弧形支撐，控制固定導葉與環(huán)板之間的垂直度。座環(huán)上、下環(huán)板之間布置臨時垂直支撐，降低環(huán)板與固定導葉之間的焊接收縮量。

(3) 焊接方法采用能量密度集中的熔化極氣體保護焊。為了控制焊接熱輸入對焊接變形的影響，第一層焊縫采用短路過渡進行施焊，電流控制在180～200 A。固定導葉兩側坡口焊縫要求交替施焊，層間溫度不大于200 ℃。

2 白鶴灘座環(huán)加工難點

2.1 合縫面加工

(1) 跨合縫面固定導葉弦長的保證

為保證跨合縫面的兩固定導葉出水弦長符合要求，1/4瓣組1/2瓣用合縫面、1/2瓣組整圓用合縫面采用配加工；1/4瓣、1/2瓣座環(huán)合縫面加工前(如圖3)，鏜床找正與精劃線交替進行，定出合縫面最終加工線。當1/4瓣座環(huán)合縫面最終加工線與原參考加工線存在偏差時，采用將原參考加工線繞基準圓心旋轉，旋轉量根據與其組合的兩瓣座環(huán)對應合縫面加工線至固定導葉出水邊尺寸確定；當1/2瓣座環(huán)合縫面最終加工線與原參考加工線間偏差時，對兩1/2瓣合縫加工量重新分配。

圖3 1/4瓣合縫面加工示意圖

(2) 減小合縫面V型間隙、組合后中心線調整量措施

對應組合的合縫面采用在同一鏜床加工，組合1/2瓣用合縫面的加工找正：將第一個1/4瓣三點平在0.5 mm之內，并記錄三點數據A、B、C，與其組合的另一1/4瓣三點平調整至-A、-B、-C，達到減小兩1/4瓣組成1/2瓣后中心線不平行程度，從而減小1/2瓣劃檢時中心線調整量目的。組合整圓用合縫面加工找正：將第一個1/2瓣三點平在0.5 mm之內，并記錄三點數據D、E、F，與其組合的另一1/2瓣三點平數據調整至-D、-E、-F(如圖4)，減小或避免出現組圓時兩1/2瓣中心線周向水平偏差滿足要求，而合縫有V型間隙的情況，即V型間隙、中心線水平不能同時滿足，同時減小整圓回線時對中心線的調整量。

圖4 1/2瓣合縫面加工示意圖

2.2 座環(huán)專機加工優(yōu)化

在專機工位將第一、四瓣，第二、三瓣座環(huán)分別組成兩1/2瓣。在專機的配合下調整一四瓣1/2座環(huán)水平并與專機找正、合縫面搭焊后，座環(huán)與支撐壓牢固定。二、三瓣1/2座環(huán)調平、調圓、合縫搭焊后，通過200 t吊車將1/2瓣座環(huán)卸荷掉180 t，在座環(huán)外圓使用多點千斤頂支撐將該1/2瓣與找正后的1/2瓣組合，并按一四瓣1/2為基準，使用夾盤爪、200 t液壓千斤頂將二三瓣1/2調平、調同心[6](如圖5)。

圖5 座環(huán)專機加工圖

為驗證專機刀架在大距離進給下加工如此大圓、平面時的精度，在底環(huán)把合面粗車后，使用平尺結合框式水平儀測量加工面的平面度，根據測量數據對刀架在進給行程內進行程序補償，消除進給方向偏差，保證加工面的精度[7]。底環(huán)把合面精車時，從內圓向外圓方向加工至徑向要求尺寸后，更換新刀片，從外圓向內圓方向加工，內向外、外向內切削參數相同并交替進行加工，減小從內向外或從外向內單一方向加工、因刀具磨損對加工面的平面度產生不利影響。

2.3 頂蓋、底環(huán)把合孔位置度的保證

為保證頂蓋φ11 680-140-M125X6、底環(huán)φ10 148-24-M72把合螺紋孔位置度符合圖紙要求的φ2，孔分布圓由專機刻線、劃線工劃孔線，激光跟蹤儀復測孔心位置(相對理論位置)。鏜床對單瓣座環(huán)按已劃的孔線單孔找正，加工底孔至單邊留2 mm余量[8]。檢查孔的H、L值，修正孔心位置，將各孔加工至底孔尺寸，底孔加工過程中測量孔的H、L值合格，底孔上端倒角后銑螺紋。

2.4 專用工具設計

1/4瓣座環(huán)在鏜床加工地腳支撐平面、各把合孔時，為了約束座環(huán)繞其中心轉動的自由度，工藝自行設計了鏜序用支撐架，每套支撐架包括4個獨立的V型架，各V型架可根據其支撐位置自由調整，不僅結構簡單，同時具有很強的通用性、實用性(如圖6)。

圖6 1/4瓣座環(huán)在鏜床加工地腳支撐工具

3 結論

通過白鶴灘座環(huán)的制造，成功解決了大厚板高強鋼焊接變形大、缺陷多，高精度尺寸公差加工裝配要求，分瓣與整體數控加工制造等關鍵技術難題，為今后大型水電機組開發(fā)和制造提供了借鑒經驗。