高水頭抽水蓄能機組兩瓣式蝸殼座環(huán)焊接制造技術(shù)應(yīng)用研究

王能慶，范 瀟，馮 濤，林 松

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

抽水蓄能機組具有啟停迅速，調(diào)節(jié)靈活的特點，承擔(dān)著電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻作用，對電力系統(tǒng)消納清潔能源、提升新能源利用水平、保障電力系統(tǒng)有序供應(yīng)具有重要的意義和經(jīng)濟效益，因此，抽水蓄能電站發(fā)展迅猛[1，2]。

隨著抽水蓄能機組水頭不斷增高，容量不斷增大，特別是以長龍山為代表的抽水蓄能機組，最大水頭達(dá)756m，為保證機組高性能要求和輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，將大量使用新材料、新結(jié)構(gòu)，增加了抽水蓄能機組的制造難度。蝸殼座環(huán)作為引水關(guān)鍵部件和機組的基礎(chǔ)部件，承載整個機組及其上部混凝土的重量和水泵水輪機水推力[3]，因此，蝸殼座環(huán)的制造質(zhì)量對機組的安全穩(wěn)定運行起著重要的作用。

本文通過對高水頭抽水蓄能機組兩瓣式蝸殼座環(huán)制造工藝進行應(yīng)用研究，形成了一套高水頭抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)關(guān)鍵制造工藝方案和制造技術(shù)，提高了蝸殼座環(huán)制造質(zhì)量，降低了蝸殼座環(huán)制造成本，縮短了蝸殼座環(huán)生產(chǎn)制造周期。

1 蝸殼座環(huán)分瓣工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

高水頭抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)外形尺寸大，為了運輸方便，通常采用廠內(nèi)分瓣制造與工地組焊相結(jié)合的方式進行制造。蝸殼座環(huán)分瓣工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般遵循以下原則：

（1）在滿足運輸尺寸的情況下，分瓣數(shù)量盡可能少。

（2）由于高水頭抽水蓄能機組運行時，蝸殼承受復(fù)雜交變應(yīng)力，工地分瓣面組合焊縫無法進行去應(yīng)力熱處理，為降低分瓣面焊縫焊接殘余應(yīng)力對機組安全穩(wěn)定運行影響，分瓣面應(yīng)設(shè)置在應(yīng)力相對較小截面上，同時應(yīng)考慮便于工地施工。

（3）為保證蝸殼座環(huán)尺寸，并降低工地焊接時合攏焊縫焊接殘余應(yīng)力的影響，在分瓣面部位應(yīng)設(shè)置湊合節(jié)。

（4）蝸殼與座環(huán)環(huán)板焊接部位是蝸殼座環(huán)受力最大部位之一[3]，因此，蝸殼座環(huán)工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計時，分瓣面部位湊合節(jié)與座環(huán)環(huán)板之間應(yīng)設(shè)置過渡板，且過渡板在工廠內(nèi)焊接并參與蝸殼整體退火處理，以降低焊接殘余應(yīng)力對機組安全穩(wěn)定運行影響。

根據(jù)上述工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，隨著運輸條件的改善，高水頭抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)一般設(shè)計為兩瓣，圖1為典型的兩瓣式蝸殼座環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，其中，除湊合節(jié)在工地掛裝焊接外，其余都在工廠內(nèi)進行焊接，并進行整體去應(yīng)力退火。

圖1 抽水蓄能機組兩瓣結(jié)構(gòu)蝸殼座環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic of two split parts spiral case and stay ring for pumped storage unit

2 兩瓣式蝸殼座環(huán)焊接制造重難點分析

2.1 兩瓣式蝸殼座環(huán)尺寸控制

2.1.1 蝸殼成型尺寸控制

高水頭抽水蓄能機組蝸殼一般采用780CF高強鋼，在同等強度條件下，相比610CF高強鋼板，可有效降低蝸殼重量和焊接熔敷金屬量。但高水頭抽水蓄能機組蝸殼尺寸小，成型半徑小，成型難度大。如何保證小尺寸蝸殼成型尺寸是制造的難點之一。

2.1.2 座環(huán)焊接尺寸控制

高水頭抽水蓄能機組兩瓣式蝸殼座環(huán)，座環(huán)上、下環(huán)板間距尺寸小，尺寸公差嚴(yán)格，同時，固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板焊接量大，焊接變形控制難度大；兩瓣座環(huán)工廠內(nèi)單獨制造，分瓣固定導(dǎo)葉裝配誤差及焊接變形累積，導(dǎo)致分瓣固定導(dǎo)葉在組圓后，錯口控制難度增加；兩瓣蝸殼座環(huán)廠內(nèi)單獨制造，由于成型、裝配及焊接變形等綜合影響，分瓣面處過渡板錯口尺寸控制難度增大。

2.2 尾部蝸殼窄小空間焊接制造

隨著抽水蓄能機組水頭不斷增高，上下環(huán)板間距越來越小，最小尺寸已小于300mm，蝸殼尾部最小半徑已小于250mm，因此，蝸殼尾部空間結(jié)構(gòu)非常狹窄。如何保證蝸殼尾部窄小結(jié)構(gòu)空間焊接工藝性是一個必須解決的問題。

2.3 兩瓣式蝸殼座環(huán)焊接質(zhì)量控制

高水頭抽水蓄能機組兩瓣式蝸殼座環(huán)大量采用低合金調(diào)質(zhì)高強鋼，以滿足機組性能設(shè)計要求，并達(dá)到輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低制造成本、縮短制造周期的目的。兩瓣式蝸殼座環(huán)中，蝸殼（包括湊合節(jié)及過渡板）材料為780CF高強鋼板卷制而成，工廠內(nèi)蝸殼與座環(huán)裝焊后進行去應(yīng)力退火。

780CF低合金調(diào)質(zhì)高強鋼，焊接過程中冷卻速度過快、接頭拘束度較大的情況下，極易產(chǎn)生冷裂紋；焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化以及脆性混合組織形成，易造成熱影響區(qū)脆化和軟化；780CF低合金高強鋼熱處理后會導(dǎo)致接頭韌性劣化現(xiàn)象[4]；因此，780CF高強鋼焊接質(zhì)量控制是高水頭抽水蓄能機組兩瓣式蝸殼座環(huán)制造難點。

3 兩瓣式蝸殼座環(huán)焊接制造技術(shù)

3.1 780CF高強鋼蝸殼成型技術(shù)

高水頭抽水蓄能機組蝸殼采用780CF高強鋼，蝸殼尺寸?。ò霃揭话阍?50～1000mm之間），蝸殼成型曲率大，回彈量大，成型后不允許火焰矯形，進水口段蝸殼寬度寬，達(dá)到3000mm，蝸殼成型難度大。為確保蝸殼成型尺寸精度，采取的主要控制措施如下：

（1）成型設(shè)備能力選擇：成型件所需要的實際成型能力，按下述經(jīng)驗公式進行計算，選擇的成型設(shè)備的最大出力應(yīng)不小于計算出的成型力。

式中：A——鋼板厚度，mm；

B——鋼板寬度，mm；

K——不同材料的屈服強度系數(shù)。

（2）成型余量設(shè)計：由于780CF高強鋼屈服強度高（≥690MPa），板料下料時，應(yīng)在成型展開長方向兩端預(yù)留成型余量，以滿足成型精度控制要求。根據(jù)不同板厚、成型寬度及成型半徑，確定成型余量。

δ（板厚）≤40mm（r≤500mm），兩端各留100mm成型余量；

δ（板厚）≤40mm（r＞500mm），兩端各留150mm成型余量；

δ（板厚）＞40mm（r＞500mm），兩端各留200mm成型余量，當(dāng)寬度超過2500mm時，兩端各留 500mm 成型余量。

（3）成型過程控制：780CF調(diào)質(zhì)高強鋼板蝸殼成型宜采用冷成型，成型后不宜采用火焰矯形，因此對蝸殼成型尺寸控制要求高。蝸殼成型前，以蝸殼最遠(yuǎn)點為基準(zhǔn)，劃好成型素線，然后采用卷板機按成型素線多道次滾彎成型，同時為考慮高強鋼滾彎后的回彈影響，應(yīng)施加一定的過彎量。蝸殼成型后要求軸向和周向成型波浪度≤1.5%，如圖2所示。

圖2 蝸殼成型示意圖Figure 2 Schematic of spiral case forming

蝸殼成型后應(yīng)在自由狀態(tài)下放地樣進行尺寸檢查，蝸殼殼節(jié)半徑尺寸與理論值偏差應(yīng)≤2mm，兩側(cè)平面度應(yīng)≤2mm；相鄰兩殼節(jié)間應(yīng)進行裝配尺寸檢查，要求錯牙≤3mm，間隙為2～4mm，局部可為4mm，但長度不超過總長的20%。

3.2 座環(huán)尺寸控制技術(shù)

座環(huán)在工廠內(nèi)分兩瓣制造，座環(huán)上下環(huán)板間距尺寸公差要求嚴(yán)格，座環(huán)焊接量大，因此對焊接變形控制要求較高。從座環(huán)焊接結(jié)構(gòu)上來說，影響關(guān)鍵尺寸的焊接變形有兩個方面：一是固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊接時產(chǎn)生收縮變形，導(dǎo)致上、下環(huán)板間距的變化；二是固定導(dǎo)葉與環(huán)板焊接時使得環(huán)板在圓周方向產(chǎn)生變形，即導(dǎo)致環(huán)板在合縫面位置直徑尺寸產(chǎn)生變化，會導(dǎo)致座環(huán)組圓后合縫面處固定導(dǎo)葉錯牙。

通常，控制焊接結(jié)構(gòu)焊接變形的方法主要有反變形法、剛性固定法、合理的焊接方法和焊接規(guī)范、合理的焊接順序等[5]，根據(jù)座環(huán)結(jié)構(gòu)特點及焊接變形趨勢分析，主要采取反變形，并結(jié)合剛性固定及合理的焊接順序等措施來控制座環(huán)尺寸，采取的主要措施如下：

（1）固定導(dǎo)葉加工時，沿高度方向加長，作為焊接變形的反變形余量，座環(huán)裝配時，上、下環(huán)板裝配尺寸給定反變形余量，使得焊接后，上、下環(huán)板間距尺寸滿足設(shè)計圖紙要求。

（2）為了增加座環(huán)的剛性，將兩瓣座環(huán)疊裝，并在合縫面處布置支撐拉筋，防止環(huán)板合縫面位置直徑尺寸變化帶來的分瓣固定導(dǎo)葉的錯牙，如圖3所示。

圖3 兩瓣座環(huán)疊裝焊接示意圖Figure 3 Schematic of two split parts stay ring for stacking

（3）嚴(yán)控焊接順序和焊接量，單條焊縫，采用分段的方式進行施焊，圓周方向，每件固定導(dǎo)葉間斷錯開施焊，兩瓣疊裝的座環(huán)，上、下瓣焊接時，焊接順序錯開，要求同時施焊的焊縫，保持焊接量同步增長，從而有效控制焊接變形。

通過上述焊接變形控制措施，可有效控制座環(huán)焊接變形，滿足圖紙設(shè)計要求。

3.3 尾部蝸殼制造工藝

基于蝸殼座環(huán)三維模型，對蝸殼焊接進行虛擬制造模擬仿真分析，確定尾部蝸殼最佳的分段位置和蝸殼節(jié)軸向長度，如圖4所示。

圖4 尾部蝸殼虛擬制造分析示意圖Figure 4 Schematic of virtual manufacturing analysis for tail spiral case

根據(jù)蝸殼虛擬制造模擬仿真結(jié)果，確定尾部蝸殼制造工藝如下：

（1）合理進行尾部蝸殼分段設(shè)計：尾部殼節(jié)半徑≤500mm的蝸殼，應(yīng)保證殼節(jié)軸向長度≤550mm，以確保尾部蝸殼滿足焊接工藝性（焊接可視性、焊接可達(dá)性、可操作性）要求。

（2）設(shè)置合理的坡口形式：由于尾部蝸殼空間狹小，內(nèi)側(cè)（過流面?zhèn)龋┦┖缚臻g狹小，施焊難度大，因此，采取內(nèi)側(cè)設(shè)置小坡口或角焊的方式以保證內(nèi)側(cè)焊接工藝性要求。

（3）采取分步制造工藝：由于尾部蝸殼尺寸較小，焊后返修難度和成本增大，因此采取分步制造工藝，即裝配、焊接、打磨、探傷完一節(jié)后，再進行下一節(jié)的裝配、焊接、打磨、探傷，直至蝸殼口面殼節(jié)半徑r＞500mm時，采用整體裝配、焊接方式進行制造。

3.4 蝸殼座環(huán)焊接質(zhì)量控制

780CF高強鋼材料成分如表1所示，根據(jù)式（2）[6]計算其碳當(dāng)量為0.51%，表明780CF高強鋼以淬硬，焊接性差；根據(jù)式（3）[6]計算冷裂敏感性系數(shù)Pcm=0.24%＞0；分析認(rèn)為780CF高強鋼板具有較大的冷裂敏感性，且容易產(chǎn)生再熱裂紋。

表1 780CF高強鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 780CF steel plate

為保證780CF高強鋼焊接質(zhì)量，應(yīng)通過預(yù)熱、保溫、消氫、緩冷等控制措施，確保780CF高強鋼焊接處于低氫環(huán)境，同時采用對稱焊接和焊后熱處理降低殘余應(yīng)力，控制裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險[6]。蝸殼座環(huán)低合金調(diào)質(zhì)剛強鋼焊接過程質(zhì)量控制措施主要有：

（1）嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度，根據(jù)板厚及結(jié)構(gòu)拘束度情況，預(yù)熱溫度控制在100～120℃，可有效避免焊接冷裂紋。

（2）嚴(yán)格控制道間溫度，道間溫度影響接頭強度、接頭晶粒組織以及接頭沖擊韌性[7]。

（3）嚴(yán)格控制保溫溫度，焊接冷裂紋與鋼材的淬硬傾向、焊接接頭中的氫含量及其分布、焊接接頭的拘束應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，因此，在焊接具有冷裂紋傾向的低合金調(diào)質(zhì)高強鋼時，要嚴(yán)格控制焊接接頭中的擴散氫含量。在未進行消氫處理前，對接頭保持一定的溫度，使擴散氫具有一定的活性而不至于在低溫條件下聚集產(chǎn)生H+H→H2的反應(yīng)，從而防止發(fā)生微小缺陷內(nèi)部壓力不斷增大而產(chǎn)生裂紋[8]。

（4）嚴(yán)格控制消氫溫度，焊接完成后，應(yīng)立即對焊縫進行加熱消氫處理，加快焊縫中擴散氫的逸出，從而消除冷裂紋的三大要之一的氫。

（5）嚴(yán)格控制焊后熱處理溫度，為保證結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性，降低焊接殘余應(yīng)力對機組后續(xù)安全穩(wěn)定運行的風(fēng)險，座環(huán)、蝸殼焊接完成后，需整體進行消除焊接殘余應(yīng)力熱處理。熱處理溫度應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝試驗確定的溫度進行，以確保焊接接頭具有良好的塑韌性[3]，滿足機組性能設(shè)計要求。

4 兩瓣式蝸殼座環(huán)加工技術(shù)

4.1 蝸殼座環(huán)廠內(nèi)加工

廠內(nèi)蝸殼座環(huán)加工的重點是分辨面盲銷加工。先劃出蝸殼座環(huán)導(dǎo)水機構(gòu)中心線及其余部位加工線，然后鏜銑分瓣面，在此基礎(chǔ)上，劃出銷孔位置線、平面和圓面基準(zhǔn)線；銷孔加工時，在相同裝夾條件下，先加工一段平面及圓面的基準(zhǔn)面后，再加工銷孔。

4.2 蝸殼座環(huán)工地加工

蝸殼座環(huán)在工地組圓焊接后，需要檢查與頂蓋和底環(huán)配合的平面是否滿足要求。通常情況下，由于焊接變形的影響，局部平面度不滿足要求的情況下，采用專用加工設(shè)備，對座環(huán)配合面進行打磨，以保證平度要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)過不斷探索、試驗研究和優(yōu)化改進，完成了高水頭抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)的制造，形成了一套大型抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)制造工藝方案和制造技術(shù)，已成功應(yīng)用于長龍山、敦化等高水頭抽水蓄能機組蝸殼座環(huán)制造，提高了產(chǎn)品制造質(zhì)量，降低了生產(chǎn)制造成本，縮短了生產(chǎn)制造周期。