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作者：張毅

  桐子林水電站是雅礱江下游最末一個(gè)梯級電站，距雅礱江與金沙江匯合口約15km，距上游二灘水電站約18km。電站共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為150MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭20m，最大水頭27.7m．最小水頭11.48m。我公司在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，自行設(shè)計(jì)、制造了桐子林電站水輪機(jī)及其附屬設(shè)備。

1桐子林座環(huán)結(jié)構(gòu)介紹

    座環(huán)是水輪機(jī)的主要埋入件，其過渡段與蝸殼在工地現(xiàn)場焊接為一體，上環(huán)板上部與機(jī)坑里襯相焊。該座環(huán)上環(huán)板外徑為15.8m，下導(dǎo)流板外徑為16.366m．整體高為5.3lm，工件為全焊接結(jié)構(gòu)，重量為208.lt．廠內(nèi)制造熔敷金屬重量為2500kg。座環(huán)在廠內(nèi)分為6瓣單獨(dú)裝焊制造，在工地現(xiàn)場焊接成一體。1/6瓣三維結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

    桐子林座環(huán)結(jié)構(gòu)是我公司首次采用的新結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的大型軸流式機(jī)組座環(huán)采用的是工廠內(nèi)分體制造，在工地現(xiàn)場通過螺栓把合將固定導(dǎo)葉與上、下座環(huán)連接成一體的結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比較，新結(jié)構(gòu)的座環(huán)具有重量輕、整體性好、工地安裝周期短的優(yōu)點(diǎn)。但是這種結(jié)構(gòu)龐大的座環(huán)在廠內(nèi)制造也存在焊接量較大，1/6座環(huán)瓣體的剛度相對較差的不利影響。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得焊接變形不容易控制，滿足結(jié)構(gòu)尺寸公差的難度較大；由于基礎(chǔ)板地腳螺栓通孔數(shù)量較多，使得基礎(chǔ)板的準(zhǔn)確定位和通孔定位尺寸的保證又是一大難點(diǎn)；固定導(dǎo)葉需穿過下導(dǎo)流板，這給固定導(dǎo)葉的裝配也帶來了一定的挑戰(zhàn)。

2工藝要點(diǎn)

2.1工藝加強(qiáng)環(huán)的使用

    由于該座環(huán)沒有下環(huán)板，下導(dǎo)流板厚度僅為36mm，使得座環(huán)在制造過程中下部剛度較差，在焊接過程中易出現(xiàn)較大的局部變形。為保證焊接質(zhì)量、增加1/6瓣座環(huán)結(jié)構(gòu)剛度，本文特設(shè)計(jì)了一套工藝加強(qiáng)環(huán)作為臨時(shí)工藝下環(huán)使用，以增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)剛度、有效控制焊接變形。在裝配過程中，也可以直接在工藝加強(qiáng)環(huán)上劃線并裝配、固定基礎(chǔ)板，提高基礎(chǔ)板定位精度，該加強(qiáng)環(huán)的三維簡圖如圖2所示。

2.2基礎(chǔ)板通孔定位

    基礎(chǔ)板厚度為90mm，其通孔直徑為Φ80mm。為減少裝配和制造誤差，使用了兩套模板定位，一套用于廠內(nèi)生產(chǎn)定位，一套用于工地地腳螺栓孔的施工定位，如此可提高定位精度，減少累積誤差對工地安裝可能造成的不利影響。

    該模板的孔徑為Φ78mm，如果使用常規(guī)的孔內(nèi)劃線方法很難保證劃線和裝配精度，增加定位誤差。為提高定位精度，本文采用鋼管替代法進(jìn)行定位，即將模板準(zhǔn)確定位于工藝加強(qiáng)環(huán)后，將外徑Φ76mm、高20mm的鋼管裝于模板孔內(nèi)，并在鋼管內(nèi)點(diǎn)焊固定，隨后移走模板，之后可按照定位鋼管安裝基礎(chǔ)板，如此簡便易行，大大提高了多孔、多件基礎(chǔ)板的裝配效率，可將裝配誤差控制在Imm范圍內(nèi)，如圖3所示。

2.3下導(dǎo)流板的熱壓成型工藝的改進(jìn)

    下導(dǎo)流板由弧板和平板兩部分組成，厚度為36mm，每臺(tái)座環(huán)的弧板部分共有30件，需要模具熱壓成型。按原加熱成型工藝，弧板的熱壓成型周期較長，將嚴(yán)重影響交貨期，并且升溫時(shí)間過長也提高了加熱成本，不利于節(jié)能減排。為達(dá)到提高生產(chǎn)效率、減少整體能耗的目的，我們對熱壓成型工藝進(jìn)行了改進(jìn)。通過提高升溫速度，縮短鋼板的加熱時(shí)間來達(dá)到上述目的。在對改進(jìn)的加熱壓型工藝進(jìn)行充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了新的加熱成型工藝參數(shù)，大大地提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了產(chǎn)品的能耗。隨后本文對成型改進(jìn)后的弧板進(jìn)行抽樣檢測，其力學(xué)性能和金相組織完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

2.4下導(dǎo)流板的裝配

    下導(dǎo)流板厚度為36mm，由平板和弧板組成，每個(gè)瓣體的下導(dǎo)流板由4塊平板和5塊弧板弧組成，單塊板的重量超過400kg，若先裝配固定導(dǎo)葉而后配裝下導(dǎo)流板難度較大，工藝過程更加繁瑣。因此采用了分裝下導(dǎo)流板后配割固定導(dǎo)葉插裝孔的方案，簡便易行，縮短了生產(chǎn)周期，提高了裝配質(zhì)量。

2.5  固定導(dǎo)葉的定位

    固定導(dǎo)葉的進(jìn)、出水邊為過渡圓角，在結(jié)構(gòu)上無法提供準(zhǔn)確的定位基準(zhǔn)。因此本座環(huán)使用固定導(dǎo)葉內(nèi)切圓半徑、固定導(dǎo)葉基準(zhǔn)線與內(nèi)切圓切線夾角兩個(gè)要素進(jìn)行定位，根據(jù)固定導(dǎo)葉圖紙的尺寸要求制作了斷面實(shí)體樣板并標(biāo)記固定導(dǎo)葉基準(zhǔn)線，然后使用該樣板上的基準(zhǔn)線在分裝完畢的下導(dǎo)流板上進(jìn)行定位并劃出固定導(dǎo)葉輪廓線，確定無誤后進(jìn)行配割，隨后進(jìn)行裝配，如此可提高定位和劃線精度，降低下了導(dǎo)流板的裝配難度，有利于提高裝配質(zhì)量和效率，節(jié)省了生產(chǎn)時(shí)間。圖4所示為使用實(shí)體樣板進(jìn)行定位和劃線，圖5所示為配割過程中的下導(dǎo)流板。

3座環(huán)的整體裝配

    確定了上述工藝要點(diǎn)之后，座環(huán)進(jìn)行從下到上順序的整體裝配，其裝配順序示意圖如圖6所示

4座環(huán)的焊接

    本文采用熔化極氣體保護(hù)焊( GMAW)的方法進(jìn)行焊接作業(yè)，保護(hù)氣體為78%Ar+22%C02的富氬氣體，焊接材料為GB ER50-6。在焊接過程中，根據(jù)鋼板的厚度確定不同的預(yù)熱溫度，層間溫度應(yīng)控制在260℃以內(nèi)。在“X”型坡口的焊接過程中，應(yīng)先將大坡口側(cè)焊縫焊至約一定的深度，然后用碳弧氣刨在背面清根，清根后打磨去除表面滲碳層至完全露出金屬光澤，而后進(jìn)行PT探傷檢查，確認(rèn)根部無缺陷后，開始在背面施焊，焊接過程中正反面坡口應(yīng)交替施焊直至滿足圖紙要求的焊縫尺寸，以控制焊接變形。

    考慮到本座環(huán)整體高度較高，為保證施工安全和產(chǎn)品質(zhì)量，先對下導(dǎo)流板未完成的焊縫進(jìn)行施焊，隨后焊接固定導(dǎo)葉與下導(dǎo)流板之間的平焊焊縫，然后焊接固定導(dǎo)葉與基礎(chǔ)板之間的平焊焊縫，待所有平焊焊縫焊接結(jié)束后，對座環(huán)進(jìn)行翻身，翻身后繼續(xù)焊接未完成的焊縫。

    焊接過程中焊工需嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，采用分段、退步、多層、多道焊的方法對稱施焊，焊接過程中要控制每個(gè)固定導(dǎo)葉坡口的填充量，防止環(huán)板和基礎(chǔ)板出現(xiàn)層狀撕裂以及座環(huán)扭曲變形，圖9所示為兩名焊工正在對稱焊接固定導(dǎo)葉與上環(huán)板間的焊縫。

5座環(huán)的焊后處理

    1/6瓣座環(huán)在整體裝配、焊接結(jié)束后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，隨后清除工藝?yán)�筋、擋板等輔助工具，然后根據(jù)圖紙和相關(guān)要求進(jìn)行VT、UT、PT或MT無損探傷檢查，整體尺寸檢查均滿足設(shè)計(jì)要求后轉(zhuǎn)入下序。其中基礎(chǔ)板通孔的位置采用模板進(jìn)行套檢，1#機(jī)的通孔位置最大偏離模板距離為Smm，滿足工地地腳螺栓的安裝需要。

    座環(huán)裝焊結(jié)束后轉(zhuǎn)入加工車間進(jìn)行加工、組圓并制備出合縫面處的坡口，加工結(jié)束后根據(jù)圖紙尺寸公差要求對下導(dǎo)流板外圓進(jìn)行配割，該部分將在工地與蝸殼進(jìn)行組裝焊接。座環(huán)加工后整體組圓如圖10所示。

6結(jié)論

    通過桐子林水輪機(jī)座環(huán)的成功制造，本文得出結(jié)論如下：

    (1)對該結(jié)構(gòu)的座環(huán)，使用工藝加強(qiáng)環(huán)可以增加1/6瓣座環(huán)整體剛度，有效地控制了焊接變形，提高了尺寸控制精度。

    (2)使用模板+鋼管替代法進(jìn)行基礎(chǔ)板的定位，可以有效避免在常規(guī)定位中的累積偏差，操作簡便、精度較高，對同類型的通孔定位有較大的借鑒、指導(dǎo)意義。

    (3)下導(dǎo)流板的先分裝后配割方案同先配割后裝焊方案相比較，前者能有效地提高裝配效率，降低裝配難度。使用固定導(dǎo)葉實(shí)體樣板進(jìn)行定位和劃線可準(zhǔn)確定位固定導(dǎo)葉，簡化裝配流程，提高裝配精度。

(4)該座環(huán)的成功設(shè)計(jì)、制造標(biāo)志著我公司已掌握大型全焊接結(jié)構(gòu)的軸流式水輪機(jī)座環(huán)的關(guān)鍵制造技術(shù)，為同類型結(jié)構(gòu)機(jī)組制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，也為哈電公司將來大型以及超大型座環(huán)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和焊接制造奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

7[摘要]  座環(huán)是水輪機(jī)組中重要的承載和導(dǎo)流部件，其整體尺寸、固定導(dǎo)葉安放角會(huì)對機(jī)組的后續(xù)安裝和運(yùn)行效率及穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。本文介紹了桐子林水電站水輪機(jī)座環(huán)結(jié)構(gòu)，并對其成型、裝配、焊接工藝特點(diǎn)進(jìn)行了探究，為今后類似結(jié)構(gòu)機(jī)組的座環(huán)裝焊工藝提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。