老撾南椰Ⅱ水電站岔管制造工藝探討

鄧 智 勇， 黃 成 林

(中國水利水電第十工程局有限公司 機電安裝分局，四川 都江堰 611830)

1 概 述

南椰Ⅱ(Nam NgiepⅡ)水電站位于老撾川壙省(Xieng Khouang)查爾(Jars)平原的東南部。電站裝機容量為3×60 MW，保證出力為56 MW，裝機年利用小時數為4 006 h。

南椰Ⅱ水電站壓力鋼管主管長1 202.879 m，鋼管內徑3.4 m，額定水頭445 m,主管由1#主岔管、2#支岔管(分為1#、2#、3#支管)組成。岔管結構形式為非對稱Y形月牙肋岔管。1#岔管為主岔管，公切球直徑為φ3 400，進口內徑為φ3 000，出口內徑分別為φ2 500、φ1 800，最大壁厚為58 mm。2#岔管為支岔管，公切球直徑為φ3 000，進口內徑為φ2 500，出 口 內 徑 分 別 為 φ1 800、φ1 800，最大壁厚為50 mm。1#、2#岔管的材質均為610 MPa級高強鋼WDB620。

岔管在水電站輸水、分水系統中處于發電機組蝶閥的前段，承受水壓最大，而且岔管異形，需要具有良好的流線型過渡，目前較多地采用高強度的鋼板分塊壓制、卷制、組焊而成，對岔管的成形、焊接質量要求很高。

岔管制造的難點與控制點主要是：岔管展開計算、分塊設計、管片壓制成形、單錐管片組裝、月牙肋板的組焊、岔管的整體組裝與焊接、焊接技術與焊接工藝參數的確定等。

2 岔管的展開計算

針對本水電站月牙肋鋼岔管的設計參數，利用計算機輔助設計技術，根據錐面展開原理推導了鋼岔管管節展開計算公式，由體形參數按需要對各管節的展開點坐標進行自動計算。使用Au-to CAD二次開發工具0bjectARX2000編寫了月牙肋鋼岔管計算機輔助設計程序，進行了岔管的體形計算、管壁厚度計算、埋管縫隙值計算、有限元計算分析前處理信息生成及管節展開等工作。

表1 主岔管主要結構設計參數表/mm

表2 支岔管主要結構設計參數表/mm

3 岔管分塊設計

3.1 岔管分塊主要考慮以下兩個方面因素

(1)岔管管節的環縫間距不應小于以下各項的大值：

①10倍管壁厚度。

②300 mm。

③r為鋼管半徑；t為管壁厚度。

(2)岔管管節的縱縫與腰線和頂、底母線所夾的中心角不得小于10°，二者間距(指弧長)不小于300 mm和10倍管壁厚度。

3.2 1號主岔管分塊參數

(1)岔管管節的環縫間距不應小于1 100 mm。

(2)岔管管節的縱縫與腰線和頂、底母線所夾的中心角不得小于10°，二者的間距(指弧長)不小于580 mm。

3.3 2號支岔管分塊參數

(1)岔管管節的環縫間距不應小于960 mm。

(2)岔管管節的縱縫與腰線和頂、底母線所夾的中心角不得小于10°，二者的間距(指弧長)不小于500 mm。

4 岔管管片的壓制成形

鋼板兩端使用壓力機壓制成形，并用樣板沿弧度檢查線檢查鋼板弧度應符合圖紙及規程要求。

對于岔管的過渡錐，由于其寬度最大約為800 mm左右，其鋼板中部用卷板機卷制成形，卷制時應根據錐管素線不斷調整，及時用樣板沿弧度檢查線檢查弧度，直到其符合要求。

對于岔管的A、B、C三錐，鋼板中部用框型壓力機專用膜具壓制成型。瓦片的開口尺寸及弧度控制由專制壓力機膜具調壓完成，鋼管壓制采取“整壓工藝“，壓制時應根據錐管素線不斷調整，及時用樣板沿弧度檢查線檢查弧度，直到符合要求。

壓弧時要注意所有的標識均在管壁內側，不要壓錯。壓制過程應嚴格保證壓制方向與鋼板的壓延方向一致。在卷板前和卷板過程中，應將鋼板表面已剝離的氧化皮和其他雜物清除干凈。施工中不允許錘擊鋼板，以防止在鋼板上出現任何傷痕。

5 月牙肋板的組焊

月牙肋的組焊：月牙肋分兩段下料，下料后需要對月牙肋進行組對焊接。月牙肋組裝時不僅幾何尺寸應符合要求，還應做到無錯牙。另外，在下料的時候應考慮月牙肋的頂部部位最容易發生撕裂，故在下料工藝上可以人為控制月牙肋外緣尺寸比相貫線尺寸越大越好。由于月牙肋壁厚大，發生角形處理難度大，為確保質量，焊接時應嚴格控制并達到基本無角變形。月牙肋豎立、兩面對稱同步進行焊接并建立監控其變形的檢查體系，根據其變形情況及時調整施焊順序。

6 單錐管片的組裝及整體組裝

6.1 單錐組裝

對成形的瓦片進行岔管單錐的組裝，組裝時將軸線、素線對準，將根部間隙控制在劃線時的間隙，使單錐組裝質量符合要求。

6.2 整體組裝

按照月牙肋與A錐及B錐組裝，再與C錐組裝的程序，最后與各錐的過渡錐管進行組裝。組裝時月牙肋不能彎曲變形，應控制好各部位的尺寸及間隙，使其符合要求。

7 岔管焊接技術與焊接工藝參數的確定

7.1 焊縫坡口

(1)岔管段內的各錐節、各瓦片、坡口型式均采用52°±5°的V型雙面坡口。

(2)肋旁焊縫以及倒錐與肋端的連接均采用45°的V型 雙面坡口。若肋根部的部分范圍內坡口達不到45°要求，可將肋外緣兩側按照三維空間計算出補償值并予以切除。但支錐側的展開尺寸不得切短。

(3)月牙肋本身的分塊拼接焊縫的坡口采用U型雙面坡口。

7.2 坡口處理

由于低氫型焊條氧化還原性差，因而對油、水、銹等比較敏感，焊前應將坡口及兩側20 mm范圍內進行嚴格清理，凡經碳弧氣刨或氧乙炔焰修割過的坡口，其切口處約有1～1.5 mm的淬硬層，淬硬層不僅將大大降低焊縫的疲勞強度，還促使延遲裂紋的產生，因此，應用砂輪機修磨，清除氧化皮和滲碳層。在進行下層焊接前應將上層藥皮清除干凈，焊接背縫前應用碳弧氣刨徹底清根并清除熔渣。

7.3 月牙肋板的無損檢測

月牙肋板板厚較大(δ120和δ100)，熱軋時易存在夾渣等缺陷，當Z向拘束應力較大時容易引起層狀撕裂，因而在下料前需對月牙肋板所用的板材進行100%無損檢測。

7.4 焊前預熱

岔管壁厚為δ58和δ50，月牙肋厚度為δ120和δ100，焊前應進行預熱，預熱溫度為100 ℃～150 ℃，預熱溫度在坡口兩側各50 mm處測量。

7.5 焊后消應處理

因該岔管材料為WDB620高強鋼，根據DL/T5017-2007第7.1.1條之規定，不需作岔管消除應力熱處理。岔管采用合理的焊接施工順序，使應力得以在焊縫全長范圍內均勻分布，以削減應力峰值，同時，在焊接過程中，采用風鏟進行振動消應。

7.6 焊接工藝參數

坡口型式:縱縫、環縫采用不對稱雙面V型坡口。焊接材料及要求：焊條牌號為CHE62CFLH，烘烤溫度為380 ℃，保溫1 h。

層間溫度：小于100 ℃；

操作技術：微擺動多層多道焊；

清根方式：碳弧氣刨清根；

焊接電流特性：各部位電流特性見表3，將輸入線能量控制在小于或等于35 kJ/cm；

母材厚度：50 mm、58 mm；

焊接方法：手工電弧焊(平、立、橫、仰)；

焊接工藝參數見表3。

8 岔管的組裝或組焊

表3 焊接工藝參數表

8.1 單節組焊

單節縱縫的焊接方式采用手工電弧焊，焊接時，根據變形情況，合理地調整多層多道焊的順序。

縱縫的焊縫變形處理采用壓力機配制專用矯形工裝進行。

8.2 整體的拼裝焊接

各單錐焊接均為手工焊，焊接參數嚴格按焊接工藝評定執行。月牙梁自身對接縫焊前要求預熱，預熱溫度為100 ℃～150 ℃，寬焊縫兩側大于60 mm；采用帶保溫層LCD型履帶式陶瓷電加熱器加熱，熱電耦反饋測溫給主控箱實現溫控。組裝對接時應預留變形，原則上焊后不進行機械校正。對于整體組裝縫的焊接，應在岔管整體組裝檢查合格后施焊。為降低岔管主體錐的焊接應力，焊接總流程原則上按先岔管主體焊縫，后各過渡錐環縫，再主管(支管)連接縫的順序施焊，即岔管主體焊接時應設自由收縮端。

岔管主體錐的焊接順序如下：

先月牙梁與分岔錐接縫，再分岔錐與主錐間環接縫。月牙梁與分岔錐間的焊縫應先外側焊接，后內側清根焊接。焊工必須成偶數對應退步施焊，焊接順序見圖2。對于錐與錐間的環縫，先里后外對稱施焊。

8.3 焊接方式

圖2 岔管主體錐焊接順序圖

兩分叉錐與主錐環縫及與其它錐管環縫焊接時應先內后外焊接。注意外側清根時用預熱加熱片加溫并保持規定的預熱溫度。所有焊縫均采用分段倒退多層多道焊，層間焊頭至少錯開100 mm。焊接工作要連續進行，不得間斷。以將焊接線能量控制在18～30 kJ/cm為宜。

8.4 焊接工藝要求

(1)焊接采用手工電弧焊接,直流反接、短弧焊，焊條擺動寬度不超過兩倍焊條直徑。

(2)注意層間的清理打磨，包括焊縫層間和背縫清根后均用砂輪機將坡口內認真打磨干凈。

(3)月牙肋與支岔管相貫線焊縫為組合焊縫，應力較復雜，且月牙肋板為Z向受力，容易產生撕裂，焊接時應由肋板側向支管側過渡焊。

(4)月牙肋處相貫線組合縫清根和焊接時應預加熱，并保持預熱溫度。

8.5 焊后處理

該岔管材質為WDB620高強鋼，壁厚為δ50 mm和δ58 mm，月牙肋厚度為δ120和δ100，根據規范要求，焊后不再進行退火處理。但為了保證岔管焊接質量，以利于焊縫應力的釋放，焊后應做后熱處理，后熱溫度為150 ℃～200 ℃，后熱在焊后立即進行，保溫時間不少于1 h。

9 結果與結論

(1)經過1、2號岔管施工制造的實施，岔管各管片及各管錐組裝間隙、錯牙、圓度、尺寸等符合要求。焊縫外觀合格、100%的無損探傷全部合格、30張射線拍片合格。

(2)展開計算對管片壓制、岔管組裝質量起到了非常重要的作用。

(3)工藝評定是焊縫質量的重要保證。針對岔管不同鋼種的焊接匹配、工藝參數的確定提供了基礎資料。

(4)模具及測弧樣板保障了管片壓制的精確性。

(5)偶算對稱退步不間斷焊接是岔管大量集中焊縫一次性合格的重要保障。

作者簡介:

鄧智勇(1967-)，男，四川大英人，高級工程師，學士，從事金屬結構制造技術與管理工作；

黃成林 (1977-)，男，四川宜賓人，工程師，從事金屬結構制造技術與管理工作.