HK—93型坡口機在混流式水輪機蝸殼結構中的應用

江蘇航天水力設備有限公司（高郵 225600）楊文祥 周廣新 孫陽光

1.概述

蝸殼結構是混流式水輪機的重要部件，也是水電站廠房中的重要建筑物，蝸殼結構直接影響機組的穩定安全運行，是電站建設中重要的技術問題。在水力方面，蝸殼是將承壓的水流導入到水輪機轉輪的通道。蝸殼位于水電站發電水力通道的末端，是水壓和流速最大的地方。在結構方面，蝸殼結構通常是指由鋼蝸殼和座環組成的鋼部件與其外圍鋼筋混凝土組成的整體結構，蝸殼必須滿足在承受各種靜、動荷載時的強度和剛度要求，以保證機組在各種工況下的安全。蝸殼承受的靜荷載主要有內水壓力、水輪發電機組的重量、廠房樓板傳遞的設備荷載、結構自重等；動荷載有蝸殼流道內的水錘壓力、作用在轉輪上的推力、作用在發電機上的扭矩、流道內的脈動水壓力及地震力等，因此蝸殼結構必須滿足有關規范和水輪發電機組制造廠規定的強度、剛度（變形）及抗震等方面要求。

2.蝸殼的工藝要求

蝸殼的各焊縫應按GB/T8564—2000《水輪發電機安裝技術規范》及JB/T4730—1994《鋼板焊接容器技術要求》進行，全部焊縫長度按JB/T4730—1994（UT2級）檢測，不能用UT2級檢測的，用RT檢測。蝸殼做水壓試驗，試驗壓力為2.2MPa，歷時30min，不得有滲漏現象。

3.蝸殼焊接坡口制備方案的確定

我公司2012年承接的黑龍江大唐東升水電站HLY115—LJ—192混流式水輪機4臺，其水輪機蝸殼管身用電腦放樣，數控下料，蝸殼結構如圖1所示。由于蝸殼結構的每節蝸節都是弧形邊展開料（見圖2），而且蝸節之間的焊縫質量要求很高，所以坡口的表面粗糙度要求就高，因此人工制備該坡口的方案被否決。隨后又提出不制備焊接坡口直接組裝后碳弧氣刨兩側制備焊接坡口，但是坡口的表面粗糙度、深度及寬度不能保證一致，這將無法保證焊縫質量的高要求；再加上兩面碳弧氣刨的煙塵以及勞動強度較大，因此第二種方案也被否決。最后筆者經過深思熟慮以及翻閱關于焊接坡口制備的相關資料，決定采取外側用HK—93型坡口機倒坡口制備，坡口留有2mm鈍邊，內側碳弧氣刨清根的坡口制備方案。

圖1 蝸殼結構

圖2 蝸節展開料

4.坡口機說明

HK—93型坡口機機身采用高強度鋁合金材料壓鑄制作，體積小，移動快速靈活。切割氧帶快速開關，操作方便，所有控制均由單手完成，可手動控制切割各種不規則形狀邊角及圓弧，并擅長急轉彎的操作，可進行直線、導向坡口I形、V形（45°）、圓周及圓弧切割，適用于造船、石油、冶金、金屬結構等行業。實際切割情況如圖3所示。

圖3 坡口機實際切割

5.蝸節焊接坡口的基本形式與尺寸

根據焊條電弧焊和氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸（GB/T985—1988）以及實際生產情況，該蝸節對接焊縫應選擇對接接頭清根焊縫，屬于帶鈍邊V形；根據標準要求，鈍邊P=2mm、坡口角度55°±2.5°，碳弧清根的最小值t=5mm。根據蝸殼外形CAD圖樣可知，每節蝸殼的自然裝配間隙d=4.7～5.26mm，要計算出按照標準55°的坡口寬度，然后減去裝配的自然間隙計算實際的坡口角度。按照5mm計算實際倒角的角度為41.78°，取40°。同時可以計算出蝸節倒角時可沿圓弧邊緣往里7mm倒角，倒角示意如圖4所示。

圖4 倒角示意

6.焊接坡口制備后的實際裝配和焊接情況

制備坡口之后用卷板機將蝸殼卷制成形(見圖5)。根據實際尺寸情況，蝸節共23節，16～23節直徑較小無法用卷板機卷制，可按實際展開長度的1/2進行下料，后壓制圓弧成形，兩個1/2處對接，按照每節環縫的要求制備焊接坡口。由于實際尺寸情況，對23節蝸節進行分節組裝和焊接，分別為1～5、6～10、11～15、16～19、20～23。每節蝸節組裝前對對接坡口進行打磨處理，保證坡口的表面粗糙度和平整度，使用300～350℃烘烤1h的J507焊條在內側進行定位焊，按照冷作工的工作規程，定位焊的焊縫長度為20～50mm，間距為200～500mm。外側坡口（坡口形狀見圖6）焊接完成之后（焊縫成形見圖7），對內側接縫處碳弧清根，打磨光滑之后對坡口進行焊接，焊接方法同外側坡口一致，焊接內側坡口時要注意焊縫的熔合情況。待所有分段組裝的蝸節焊接完成之后對它們進行超聲波探傷，未發現超標缺陷，產品符合標準JB/T4730—1994（UT2級）。

所有焊縫在焊接完成后進行了超聲波探傷，發現只有第19、20節的接縫處有一點超標，經探傷員測定為一未熔合缺陷，深度15.3mm（第19與20節板材厚度為16mm），后直接對該點進行碳弧清理，確能看見缺陷，對其進行補焊24h之后進行超聲波復探，探傷結果合格。對最終蝸殼進行2.2MPa的水壓試驗30min，沒有滲漏現象。

圖5 卷制完成的蝸節

圖6 坡口形狀

圖7 焊縫成形

7.結語

（1）采用上述的焊接坡口制備方案，焊縫成形良好，該工藝對低合金鋼的焊接與接頭質量有保證，能夠達到工藝要求，這對以后該類產品的生產和制作積累了寶貴的經驗。

（2）生產實踐證明，良好的制作方法可以縮短加工的周期，降低生產成本，在生產中應不斷的總結經驗來創造更大的經濟效益和社會效益。