昝竹青，李 鑫，楊思晉，喬宏來，康永林，宋剛云

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

白鶴灘項目單機(jī)容量為100萬千瓦，是目前世界第一個百萬千瓦水電機(jī)組。座環(huán)作為水輪機(jī)機(jī)組的關(guān)鍵承載部件[1]，在制造過程中主要有兩個方面難點(diǎn)：材料強(qiáng)度等級高、焊接難度大；尺寸大，精度高，分瓣加工及整體加工存在挑戰(zhàn)。本文主要從以上兩個方面著手，分析兩個方面的制造難點(diǎn)及解決措施。

1 白鶴灘座環(huán)焊接難點(diǎn)

1.1 焊接材料的選擇

白鶴灘座環(huán)為大型混流式常見結(jié)構(gòu)，分4瓣，總重505 t，高3 956 mm，最大外圓20.5 m，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

白鶴灘座環(huán)環(huán)板材料為SXQ500D-Z35，厚度260 mm，是材料廠家針對百萬水電機(jī)組開發(fā)的500 MPa級大厚度高強(qiáng)Z向抗撕裂鋼板[2]，固定導(dǎo)葉材料采用鍛鋼ASTM A668 Class E。焊材選擇按照等強(qiáng)度匹配原則進(jìn)行，選擇60 kg級焊絲AWS A5.28 ER90S-G，抗拉強(qiáng)度大于620 MPa，-20 ℃沖擊功大于47 J，且熔敷金屬擴(kuò)散氫含量HD≤4.0 ml/100 g。

1.2 預(yù)熱溫度的確定

由于SXQ500D-Z35和ASTM A668 Class E材料冷裂傾向較大，焊前必須預(yù)熱，為了讓預(yù)熱溫度具有合理性，依據(jù)GB/T 32260.2—2015《金屬材料焊縫的破壞性試驗 焊件的冷裂紋試驗 弧焊方法 第2部分：自拘束試驗》進(jìn)行斜Y型坡口試驗。斜Y型坡口焊接裂紋試驗板厚為50 mm[3]。選取50 ℃、100 ℃和120 ℃進(jìn)行試驗。焊接工藝參數(shù)按照表1執(zhí)行。

表1 斜Y型坡口焊接裂紋試驗焊接工藝參數(shù)

焊接后，48 h自然空冷，經(jīng)外觀檢查后將試件解剖成5件試樣，對斷面進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕后，利用宏觀金相顯微鏡進(jìn)行5個斷面的表面裂紋和端面裂紋檢查。分別計算出表面裂紋率和斷面裂紋率，如表2所示。

表2 SXQ500D-Z35斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

根據(jù)表2試驗數(shù)據(jù)，合理地選擇預(yù)熱溫度十分重要，焊前預(yù)熱可有效的防止冷裂紋。預(yù)熱溫度過高，惡化勞動條件[4]。預(yù)熱溫度的選擇根據(jù)母材冷裂敏感指數(shù)、抗拉強(qiáng)度、板厚及焊接接頭的拘束應(yīng)力等因素進(jìn)行綜合考慮，白鶴灘座環(huán)環(huán)板SXQ500D-Z35和固定導(dǎo)葉ASTM A668 Class E焊接預(yù)熱溫度：T0≥120 ℃。圖2為SXQ500D-Z35鋼板鐵研試件典型解剖斷面。

圖2 SXQ500D-Z35鋼板鐵研試件解剖斷面

1.3 焊接工藝評定試驗

白鶴灘座環(huán)焊接主要環(huán)板SXQ500D-Z35與固定導(dǎo)葉ASTM A668 Class E之間的焊接，工藝評定試驗依據(jù)ASME《鍋爐及壓力容器》第Ⅸ卷焊接評定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。焊接方法選用熔化極氣體保護(hù)焊，其坡口形式為對接X型坡口，鋼板厚度240 mm，涉及工藝評定主要包含： SXQ500D-Z35與SXQ500D-Z35、SXQ500D-Z35與ASTM A668 Class E及ASTM A668 Class E與ASTM A668 Class E三種焊接工藝評定[5]。焊后進(jìn)行560±15 ℃熱處理后進(jìn)行力學(xué)性能試驗，包含拉伸試驗、導(dǎo)向彎曲試驗和缺口韌性試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3。各力學(xué)性能指標(biāo)均能滿足材料的使用要求，評定合格，可用于厚度16 mm

表3 焊接工藝評定試驗力學(xué)性能

1.4 焊接變形及缺陷控制

(1) 合理布置臨時工藝支撐。座環(huán)環(huán)板與固定導(dǎo)葉之間布置臨時弧形支撐，控制固定導(dǎo)葉與環(huán)板之間的垂直度。座環(huán)上、下環(huán)板之間布置臨時垂直支撐，降低環(huán)板與固定導(dǎo)葉之間的焊接收縮量。

(3) 焊接方法采用能量密度集中的熔化極氣體保護(hù)焊。為了控制焊接熱輸入對焊接變形的影響，第一層焊縫采用短路過渡進(jìn)行施焊，電流控制在180～200 A。固定導(dǎo)葉兩側(cè)坡口焊縫要求交替施焊，層間溫度不大于200 ℃。

2 白鶴灘座環(huán)加工難點(diǎn)

2.1 合縫面加工

(1) 跨合縫面固定導(dǎo)葉弦長的保證

為保證跨合縫面的兩固定導(dǎo)葉出水弦長符合要求，1/4瓣組1/2瓣用合縫面、1/2瓣組整圓用合縫面采用配加工；1/4瓣、1/2瓣座環(huán)合縫面加工前(如圖3)，鏜床找正與精劃線交替進(jìn)行，定出合縫面最終加工線。當(dāng)1/4瓣座環(huán)合縫面最終加工線與原參考加工線存在偏差時，采用將原參考加工線繞基準(zhǔn)圓心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)量根據(jù)與其組合的兩瓣座環(huán)對應(yīng)合縫面加工線至固定導(dǎo)葉出水邊尺寸確定；當(dāng)1/2瓣座環(huán)合縫面最終加工線與原參考加工線間偏差時，對兩1/2瓣合縫加工量重新分配。

圖3 1/4瓣合縫面加工示意圖

(2) 減小合縫面V型間隙、組合后中心線調(diào)整量措施

對應(yīng)組合的合縫面采用在同一鏜床加工，組合1/2瓣用合縫面的加工找正：將第一個1/4瓣三點(diǎn)平在0.5 mm之內(nèi)，并記錄三點(diǎn)數(shù)據(jù)A、B、C，與其組合的另一1/4瓣三點(diǎn)平調(diào)整至-A、-B、-C，達(dá)到減小兩1/4瓣組成1/2瓣后中心線不平行程度，從而減小1/2瓣劃檢時中心線調(diào)整量目的。組合整圓用合縫面加工找正：將第一個1/2瓣三點(diǎn)平在0.5 mm之內(nèi)，并記錄三點(diǎn)數(shù)據(jù)D、E、F，與其組合的另一1/2瓣三點(diǎn)平數(shù)據(jù)調(diào)整至-D、-E、-F(如圖4)，減小或避免出現(xiàn)組圓時兩1/2瓣中心線周向水平偏差滿足要求，而合縫有V型間隙的情況，即V型間隙、中心線水平不能同時滿足，同時減小整圓回線時對中心線的調(diào)整量。

圖4 1/2瓣合縫面加工示意圖

2.2 座環(huán)專機(jī)加工優(yōu)化

在專機(jī)工位將第一、四瓣，第二、三瓣座環(huán)分別組成兩1/2瓣。在專機(jī)的配合下調(diào)整一四瓣1/2座環(huán)水平并與專機(jī)找正、合縫面搭焊后，座環(huán)與支撐壓牢固定。二、三瓣1/2座環(huán)調(diào)平、調(diào)圓、合縫搭焊后，通過200 t吊車將1/2瓣座環(huán)卸荷掉180 t，在座環(huán)外圓使用多點(diǎn)千斤頂支撐將該1/2瓣與找正后的1/2瓣組合，并按一四瓣1/2為基準(zhǔn)，使用夾盤爪、200 t液壓千斤頂將二三瓣1/2調(diào)平、調(diào)同心[6](如圖5)。

圖5 座環(huán)專機(jī)加工圖

為驗證專機(jī)刀架在大距離進(jìn)給下加工如此大圓、平面時的精度，在底環(huán)把合面粗車后，使用平尺結(jié)合框式水平儀測量加工面的平面度，根據(jù)測量數(shù)據(jù)對刀架在進(jìn)給行程內(nèi)進(jìn)行程序補(bǔ)償，消除進(jìn)給方向偏差，保證加工面的精度[7]。底環(huán)把合面精車時，從內(nèi)圓向外圓方向加工至徑向要求尺寸后，更換新刀片，從外圓向內(nèi)圓方向加工，內(nèi)向外、外向內(nèi)切削參數(shù)相同并交替進(jìn)行加工，減小從內(nèi)向外或從外向內(nèi)單一方向加工、因刀具磨損對加工面的平面度產(chǎn)生不利影響。

2.3 頂蓋、底環(huán)把合孔位置度的保證

為保證頂蓋φ11 680-140-M125X6、底環(huán)φ10 148-24-M72把合螺紋孔位置度符合圖紙要求的φ2，孔分布圓由專機(jī)刻線、劃線工劃孔線，激光跟蹤儀復(fù)測孔心位置(相對理論位置)。鏜床對單瓣座環(huán)按已劃的孔線單孔找正，加工底孔至單邊留2 mm余量[8]。檢查孔的H、L值，修正孔心位置，將各孔加工至底孔尺寸，底孔加工過程中測量孔的H、L值合格，底孔上端倒角后銑螺紋。

2.4 專用工具設(shè)計

1/4瓣座環(huán)在鏜床加工地腳支撐平面、各把合孔時，為了約束座環(huán)繞其中心轉(zhuǎn)動的自由度，工藝自行設(shè)計了鏜序用支撐架，每套支撐架包括4個獨(dú)立的V型架，各V型架可根據(jù)其支撐位置自由調(diào)整，不僅結(jié)構(gòu)簡單，同時具有很強(qiáng)的通用性、實(shí)用性(如圖6)。

圖6 1/4瓣座環(huán)在鏜床加工地腳支撐工具

3 結(jié)論

通過白鶴灘座環(huán)的制造，成功解決了大厚板高強(qiáng)鋼焊接變形大、缺陷多，高精度尺寸公差加工裝配要求，分瓣與整體數(shù)控加工制造等關(guān)鍵技術(shù)難題，為今后大型水電機(jī)組開發(fā)和制造提供了借鑒經(jīng)驗。