水泵轉輪室制造技術研究

陳樹華，黃從兵，邵春兵，韓兆亮，趙進

（江蘇航天水力設備有限公司，江蘇高郵 225600）

0 引言

水泵轉輪室是水泵的重要過流件，在泵站運行中承受著較大的水力沖擊和交變的壓力負荷，易產生汽蝕破壞[1]，直接影響到水泵的效率與正常運行。本文通過對4種不同結構型式和制造工藝的轉輪室進行研究和分析，確定合理的結構設計和制造方法，提高轉輪室的設計制造質量，為客戶提供多種選擇方案。

1 結構型式

轉輪室結構型式分為兩大類：一類是鑄件，包括碳鋼鑄件+不銹鋼層和整體不銹鋼鑄件，如圖1所示；另一類是焊接結構件，如圖2所示。根據工藝特點，碳鋼鑄件+不銹鋼層分為碳鋼鑄件基體鑲焊不銹鋼層和堆焊不銹鋼層。

圖1 碳鋼鑄件+鑲（堆）焊不銹鋼轉輪室

圖2 不銹鋼焊接結構件轉輪室

2 設計控制要點

轉輪室根據用戶需求選擇毛坯種類和結構型式，確定相應的設計方案。結構設計時需要保證轉輪室剛強度滿足使用要求，同時考慮制造工藝對轉輪室質量的影響。

1）一般工程用鑄造碳鋼件+不銹鋼層轉輪室，基體材料采用ZG270-500，不銹鋼層材料為06Cr19Ni10。由于鑲焊、堆焊不銹鋼層會產生較大的熱輸入，容易導致轉輪室變形。因此，要重點加強轉輪室基體、分半法蘭、進出水法蘭、筋板等要素的結構設計，以提高其抗變形能力。

2）整體不銹鋼鑄件轉輪室材料一般選用ZG06Cr13 Ni4Mo，剛度、強度設計滿足使用要求即可，結構設計需要考慮鑄造工藝性。

3）不銹鋼焊接結構件轉輪室一般采用06Cr19Ni10或06Cr13Ni4Mo板材，剛度、強度設計滿足使用要求外，結構設計重點考慮熱模壓和焊接工藝性。

4）結構設計完成后，對轉輪室進行有限元分析，驗證其剛度、強度是否滿足要求。

3 制造控制要點

3.1 鑲焊不銹鋼鑄件轉輪室

1）鑄坯要求。

鑄件須滿足GB/T 11352-2009 標準要求，鑄件表面不應存在影響使用的缺陷[2]。

2）焊前準備。

鑲焊前工藝尺寸的確定，需要考慮鑲焊收縮率，按經驗公式（1）計算：

式中：D′為焊前工藝尺寸；D為焊前公稱尺寸；ε為鑲焊收縮率，ε=0.5‰～1.5‰，根據鑄件質量等級選取，材料組織致密、無缺陷或少缺陷的取小值，材料組織疏松、缺陷較多的取大值。

鑲焊板材按工藝要求制作，設有多個塞焊孔，如圖3所示。

圖3 塞焊孔結構示意圖

3）鑲焊過程。

鑲焊不銹鋼材質為06Cr19Ni10，焊接采用氣體保護焊，焊絲選用ER308。

焊接操作注意事項：①裝焊時，每塊不銹鋼板與本體縱向焊縫應錯開；②用千斤頂施力，使不銹鋼板緊貼轉輪室本體，方可施焊；③焊縫打底時，適當提高焊接電流，確保熔深。鑲焊須嚴格按表1執行，焊后去應力退火處理按表2執行。

表1 鑲焊焊接工藝規范

表2 熱處理規范

4）機械加工過程。

控制要點：鑲焊后的轉輪室金加工前要進行劃檢，檢查各部余量及鑲焊不銹鋼的厚度，確定分瓣面的加工余量。立車加工時，通過校調，重點保證不銹鋼層厚度均勻性。精車前通過多次拆分，時效處理，釋放應力，從而保證轉輪室后尺寸和形位精度要求。

3.2 堆焊不銹鋼鑄件轉輪室

1）鑄坯要求。

碳鋼鑄件同3.1節鑄坯要求，鑄造工藝要考慮鑄造自身收縮率，轉輪室焊接部位外徑尺寸，還需增加實施堆焊工序引起的收縮量，焊接部位毛坯外徑按2‰～3‰收縮率放大，以確保加工后的壁厚滿足設計要求。實踐證明，堆焊收縮率與鑄件本體質量密不可分，如縮孔、縮松等鑄造缺陷多少、大小等影響較大，鑄件組織較致密的收縮率取較小值，鑄件組織疏松的收縮率取較大值。

2）焊前準備。

轉輪室堆焊前粗加工應按焊前粗加工工藝圖進行，工藝人員在確定焊前工藝尺寸時，應考慮堆焊收縮量，工藝尺寸按經驗公式（2）計算。

D′=D×（1+ε）。 （2）

式中：D′為焊前工藝尺寸；D為焊前公稱尺寸；ε為鑲焊收縮率，ε=2‰～3‰，根據鑄件質量等級選取，材料組織致密、無缺陷或少缺陷的取小值，材料組織疏松、缺陷較多的取大值。

焊前須經超聲波探傷合格。如不符合要求，要按補焊工藝規范進行補焊，補焊后需重新進行檢查，直至合格。

3）堆焊過程。

由于埋弧自動堆焊無飛濺和電弧輻射，勞動條件好，堆焊層平整光滑，成分穩定，生產率高[3]。轉輪室不銹鋼層堆焊選擇埋弧自動焊焊接。

焊接控制要點：

a. 堆焊電源要保證長時間連續穩定工作；

b.變位機能實現水平方向的旋轉和垂直方向的翻轉；

c. 焊劑選用HJ260，使用前烘干，烘干溫度100 ℃，時長為1 h；

d. 在轉輪室一段焊接十字支撐，并用搭塊焊牢；

e. 轉輪室在變位機定位裝夾時，應保證轉輪室與變位機回轉中心一致，用劃針檢查確認后方可開始堆焊作業；

f. 堆焊部位須預熱至100～150 ℃。

堆焊工藝參數按表3堆焊工藝規范執行。

表3 堆焊工藝規范

堆焊結束后，立即采用石棉材料覆蓋嚴實，緩慢冷卻至室溫。檢查工件各部尺寸及圓度，如不符合要求，須矯正，打好支撐，分半件剖分成兩半。然后進行焊后去應力退火處理；焊后去應力熱處理按表4熱處理規范執行。

表4 熱處理規范

去應力退火處理后，檢查變形量。如變形量超出規定值，需再次矯正，并去除應力。

4）機械加工過程。

機械加工按機械加工工藝規程進行。

機械加工注意事項：

a. 轉輪室金加工前首先進行劃檢，檢查變形量及各部余量分布情況，重點關注分瓣面垂直方向的堆焊層厚度及余量大小，根據劃檢結果確定分瓣面的加工余量。

b.數控立車加工時首先檢查各部余量分布情況，通過校調，保證分瓣面與花盤的垂直度、分瓣面處于直徑方向及不銹鋼堆焊層厚度均勻度。粗加工后檢查確認內球各部堆焊層的厚度，同一圓周上實測數據不少于8個。若厚度偏差超過±2 mm，需重新矯正，合格后方可繼續加工。

c.粗車、半精車后，應下車拆分，每次時效處理不少于24 h。必要時增加振動時效，通過多次拆分、時效處理，釋放內應力。

d.精車時應注意調整夾緊力，防止由于夾緊力過大造成轉輪室變形。

3.3 整體不銹鋼鑄件轉輪室

1）鑄坯要求。

鑄件按JB/T 6405-2018標準執行，鑄件表面不得有裂紋、冷隔、氣孔等鑄造缺陷[4]，鑄件須經正火、回火處理，熱處理規范如表5所示。

表5 ZG06Cr13Ni4Mo熱處理規范[5]

2）機械加工過程。

控制要點：毛坯首先進行劃檢，以分瓣法蘭背面及進出水聯接法蘭背面為基準，檢查各部余量，劃分瓣面法蘭加工線。按線找正，粗精銑分瓣法蘭面。鉆分瓣法蘭聯接孔。粗車、半精車各部后，如有缺陷，按補焊規范進行補焊，然后進行去應力處理。精銑分瓣面，組合鉆鉸定位銷孔，最后精車各部至尺寸。過程中需安排拆分，時效處理，釋放應力，確保轉輪室尺寸和形位精度滿足設計要求。

3.4 不銹鋼焊接結構件轉輪室

1）結構件制作。

不銹鋼板材數控下料，進出水法蘭拼焊成形，筒體分段下料，熱模壓并熱處理，組裝焊接。主要焊縫做UT檢查。

操作注意事項：

a.法蘭拼焊成整圓，拼焊時板面不得錯位，焊前加防變形支撐，拼焊縫需清根焊透，焊后調平、調圓；

b.球形板按圖展開分多瓣下料，環形方向與鋼板壓延方向一致,各瓣四周邊留50 mm配割余量；

c.整體裝配時注意各部件間拼板焊縫需相互錯開＞150 mm；

d.焊接時采用小規范、多層多道焊接，減少熱輸入，以減小焊接變形；

e.先焊接為整體，再焊縱向拼焊縫，后焊環形焊縫，環形焊縫采用十字對稱、分段退焊；

f.坡口焊時不得單側焊滿再焊另一側，需交替進行。

焊接規范如表6所示。

表6 不銹鋼結構件焊接工藝規范

焊后進行去應力退火處理，熱處理規范如表7所示。

表7 熱處理規范

2）機械加工過程。

機械加工過程控制參照3.3節整體不銹鋼鑄件轉輪室相關要求。

4 對比分析

從上述轉輪室設計制造控制過程可以看出，4種轉輪室各有特點，都得到廣泛應用。現將不同結構型式的轉輪室優缺點及應用案例列表，應用案例為筆者所在公司的部分中標項目，如表8所示。

表8 水泵轉輪室優缺點及應用案例一覽表

5 結語

通過對以上4種結構轉輪室的設計及制造工藝研究、比較和分析，鑲焊不銹鋼轉輪室經濟性最好，由于存在脫焊、離殼的可能，目前已基本被堆焊不銹鋼轉輪室取代。整體不銹鋼轉輪室具有質量可靠穩定、結構簡單、抗汽蝕性能好、耐腐蝕性高的優勢，近年來，泵站應用也逐漸增多。焊接結構不銹鋼轉輪室在水輪機行業應用居多，由于具備抗汽蝕性能好、外形美觀、制造周期較短等優勢，現在水泵行業的應用有后來居上之勢。隨著制造廠的不斷探索和實踐，轉輪室制造技術日趨成熟，可以滿足不同用戶的使用需求。