桐子林水電站水輪機座環裝焊工藝

閆海濱，呂勝海，陶捍崢，董慧瑩，劉向海（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

桐子林水電站水輪機座環裝焊工藝

閆海濱，呂勝海，陶捍崢，董慧瑩，劉向海
（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

座環是水輪機組中重要的承載和導流部件，其整體尺寸、固定導葉安放角會對機組的后續安裝和運行效率及穩定性產生一定的影響。本文介紹了桐子林水電站水輪機座環結構，幵對其成型、裝配、焊接工藝特點進行了探究，為今后類似結構機組的座環裝焊工藝提供了寶貴的經驗。

座環結構；成型；裝配；焊接

0 引言

軸流轉漿式水輪機又稱卡普蘭式水輪機，其葉片可按水頭和負荷變化做相應轉動，以保持活動導葉轉角和葉片轉角間的最優配合，從而提高平均效率。

桐子林水電站是雅礱江下游最末一個梯級電站,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臺單機容量為150MW的軸流轉槳式水輪發電機組，額定水頭20m，最大水頭27.7m，最小水頭11.48m。我公司在總結以往經驗的基礎上，自行設計、制造了桐子林電站水輪機及其附屬設備。

1 桐子林座環結構介紹

座環是水輪機的主要埋入件，其過渡段與蝸殼在工地現場焊接為一體，上環板上部與機坑里襯相焊[1]。該座環上環板外徑為15.8m,下導流板外徑為16.366m，整體高為5.31m，工件為全焊接結構，重量為208.1t，廠內制造熔敷金屬重量為2500kg。座環在廠內分為6瓣單獨裝焊制造，在工地現場焊接成一體。1/6瓣三維結構簡圖如圖1所示。

圖1 桐子林座環1/6瓣三維結構簡圖

桐子林座環結構是我公司首次采用的新結構，傳統的大型軸流式機組座環采用的是工廠內分體制造，在工地現場通過螺栓把合將固定導葉與上、下座環連接成一體的結構。與傳統結構相比較，新結構的座環具有重量輕、整體性好、工地安裝周期短的優點。但是這種結構龐大的座環在廠內制造也存在焊接量較大，1/6座環瓣體的剛度相對較差的不利影響。該結構特點使得焊接變形不容易控制，滿足結構尺寸公差的難度較大；由于基礎板地腳螺栓通孔數量較多，使得基礎板的準確定位和通孔定位尺寸的保證又是一大難點；固定導葉需穿過下導流板，這給固定導葉的裝配也帶來了一定的挑戰。

2 工藝要點

2.1 工藝加強環的使用

由于該座環沒有下環板，下導流板厚度僅為36mm，使得座環在制造過程中下部剛度較差，在焊接過程中易出現較大的局部變形。為保證焊接質量、增加1/6瓣座環結構剛度，本文特設計了一套工藝加強環作為臨時工藝下環使用，以增強其結構剛度、有效控制焊接變形。在裝配過程中，也可以直接在工藝加強環上劃線幵裝配、固定基礎板，提高基礎板定位精度，該加強環的三維簡圖如圖2所示。

圖2 工藝加強環三維簡圖

2.2 基礎板通孔定位

基礎板厚度為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，一套用于廠內生產定位，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，如果使用常規的孔內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行定位，即將模板準確定位于工藝加強環后，將外徑Φ76mm、高20mm的鋼管裝于模板孔內，幵在鋼管內點焊固定，隨后移走模板，之后可按照定位鋼管安裝基礎板，如此簡便易行，大大提高了多孔、多件基礎板的裝配效率，可將裝配誤差控制在1mm范圍內，如圖3所示。

2.3 下導流板的熱壓成型工藝的改進

下導流板由弧板和平板兩部分組成，厚度為36mm，每臺座環的弧板部分共有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，將嚴重影響交貨期，幵且升溫時間過長也提高了加熱成本，不利于節能減排。為達到提高生產效率、減少整體能耗的目的，我們對熱壓成型工藝進行了改進。通過提高升溫速度，縮短鋼板的加熱時間來達到上述目的。在對改進的加熱壓型工藝進行充分試驗的基礎上，確定了新的加熱成型工藝參數，大大地提高了生產效率，同時降低了產品的能耗。隨后本文對成型改進后的弧板進行抽樣檢測，其力學性能和金相組織完全符合國家標準。

圖3 使用鋼管替代法進行基礎板定位

2.4 下導流板的裝配

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

2.5 固定導葉的定位

固定導葉的進、出水邊為過渡圓角，在結構上無法提供準確的定位基準。因此本座環使用固定導葉內切圓半徑、固定導葉基準線與內切圓切線夾角兩個要素進行定位，根據固定導葉圖紙的尺寸要求制作了斷面實體樣板幵標記固定導葉基準線，然后使用該樣板上的基準線在分裝完畢的下導流板上進行定位幵劃出固定導葉輪廓線，確定無誤后進行配割，隨后進行裝配[2]，如此可提高定位和劃線精度，降低下了導流板的裝配難度，有利于提高裝配質量和效率，節省了生產時間。圖4所示為使用實體樣板進行定位和劃線，圖5所示為配割過程中的下導流板。

圖4 使用實體樣板進行定位和劃線

圖5 下導流板固定導葉通孔配割

3 座環的整體裝配

確定了上述工藝要點之后，座環進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

圖6 座環整體裝配流程示意圖

圖7 固定導葉與下導流板之間的弧形拉筋

圖8 裝配后的座環

4 座環的焊接

本文采用熔化極氣體保護焊（GMAW）的方法進行焊接作業，保護氣體為78%Ar+22%CO2的富氬氣體，焊接材料為GB ER50-6。在焊接過程中，根據鋼板的厚度確定不同的預熱溫度，層間溫度應控制在260℃以內[3]。在“X”型坡口的焊接過程中，應先將大坡口側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，而后進行PT探傷檢查，確認根部無缺陷后，開始在背面施焊，焊接過程中正反面坡口應交替施焊直至滿足圖紙要求的焊縫尺寸，以控制焊接變形。

考慮到本座環整體高度較高，為保證施工安全和產品質量，先對下導流板未完成的焊縫進行施焊，隨后焊接固定導葉與下導流板之間的平焊焊縫，然后焊接固定導葉與基礎板之間的平焊焊縫，待所有平焊焊縫焊接結束后，對座環進行翻身，翻身后繼續焊接未完成的焊縫。

焊接過程中焊工需嚴格按照工藝要求執行，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固定導葉坡口的填充量，防止環板和基礎板出現層狀撕裂以及座環扭曲變形，圖9所示為兩名焊工正在對稱焊接固定導葉與上環板間的焊縫。

圖9 兩名焊工對稱焊接固定導葉與上環板間的焊縫

5 座環的焊后處理

1/6瓣座環在整體裝配、焊接結束后進行消除應力熱處理，隨后清除工藝拉筋、擋板等輔助工具，然后根據圖紙和相兲要求進行VT、UT、PT或MT無損探傷檢查，整體尺寸檢查均滿足設計要求后轉入下序。其中基礎板通孔的位置采用模板進行套檢，1#機的通孔位置最大偏離模板距離為5mm，滿足工地地腳螺栓的安裝需要。

座環裝焊結束后轉入加工車間進行加工、組圓幵制備出合縫面處的坡口，加工結束后根據圖紙尺寸公差要求對下導流板外圓進行配割，該部分將在工地與蝸殼進行組裝焊接。座環加工后整體組圓如圖10所示。

圖10 座環加工后整體組圓

6 結論

通過桐子林水輪機座環的成功制造，本文得出結論如下：

（1）對該結構的座環，使用工藝加強環可以增加1/6瓣座環整體剛度，有效地控制了焊接變形，提高了尺寸控制精度。

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

（3）下導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。使用固定導葉實體樣板進行定位和劃線可準確定位固定導葉，簡化裝配流程，提高裝配精度。

（4）該座環的成功設計、制造標志著我公司已掌握大型全焊接結構的軸流式水輪機座環的兲鍵制造技術，為同類型結構機組制造提供了寶貴的經驗，也為哈電公司將來大型以及超大型座環結構的優化和焊接制造奠定了堅實的基礎。

[1] 盧昌福, 賈瑞燕. 向家壩水電站座環裝焊工藝概述[J]. 防爆電機, 2013(1): 32-34.

[2] 閆海濱, 魏方鍇. 三峽電站右岸水輪發電機轉子支架裝焊工藝改進[J]. 大電機技術, 2011(3): 31-32．

[3] 喬宏來, 閆海濱, 呂勝海, 等. 軸流轉槳式水輪機大長寬比固定導葉裝焊工藝優化[J]. 大電機技, 2015(2): 53-57.

閆海濱（1961-），1984年畢業于哈爾濱電機廠職工大學，現從事水輪發電機組、汽輪發電機等大型結構件的焊接工藝工作，高級工程師。

審稿人：田井成

The Assembly and Welding Procedure for Stay Ring of Tongzilin Hydropower Plant

YAN Haibin, LYU Shenghai, TAO Hanzheng, DONG Huiying , LIU Xianghai
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The stay ring is an important component for load bearing and water diversion in hydro-generator unit. Also its dimension and locating angle of stay vanes will influence the subsequent erection, output efficiency and operating stability in some degree. This article introduces stay ring structure of Tongzilin hydropower plant and discusses the technological characteristics of molding, assembly and welding, which provides valuable experience for the assembly and welding procedure of the turbine with similar structure of stay ring.

structure of stay ring; molding; assembly; welding

TK730.6

A

1000-3983(2015)06-0056-04

2015-02-20

國家科技支撐計劃(2011BAF03B02)