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(jī)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(jī)容量為3×60 MW，保證出力為56 MW，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為4 006 h。

南椰Ⅱ水電站壓力鋼管主管長1 202.879 m，鋼管內(nèi)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(jié)構(gòu)形式為非對(duì)稱Y形月牙肋岔管。1#岔管為主岔管，公切球直徑為φ3 400，進(jìn)口內(nèi)徑為φ3 000，出口內(nèi)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(jìn)口內(nèi)徑為φ2 500，出 口 內(nèi) 徑 分 別 為 φ1 800、φ1 800，最大壁厚為50 mm。1#、2#岔管的材質(zhì)均為610 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼WDB620。

岔管在水電站輸水、分水系統(tǒng)中處于發(fā)電機(jī)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(qiáng)度的鋼板分塊壓制、卷制、組焊而成，對(duì)岔管的成形、焊接質(zhì)量要求很高。

岔管制造的難點(diǎn)與控制點(diǎn)主要是：岔管展開計(jì)算、分塊設(shè)計(jì)、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(shù)與焊接工藝參數(shù)的確定等。

2 岔管的展開計(jì)算

針對(duì)本水電站月牙肋鋼岔管的設(shè)計(jì)參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)錐面展開原理推導(dǎo)了鋼岔管管節(jié)展開計(jì)算公式，由體形參數(shù)按需要對(duì)各管節(jié)的展開點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。使用Au-to CAD二次開發(fā)工具0bjectARX2000編寫了月牙肋鋼岔管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序，進(jìn)行了岔管的體形計(jì)算、管壁厚度計(jì)算、埋管縫隙值計(jì)算、有限元計(jì)算分析前處理信息生成及管節(jié)展開等工作。

表1 主岔管主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表/mm

表2 支岔管主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)表/mm

3 岔管分塊設(shè)計(jì)

3.1 岔管分塊主要考慮以下兩個(gè)方面因素

(1)岔管管節(jié)的環(huán)縫間距不應(yīng)小于以下各項(xiàng)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(jié)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(hào)主岔管分塊參數(shù)

(1)岔管管節(jié)的環(huán)縫間距不應(yīng)小于1 100 mm。

(2)岔管管節(jié)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(hào)支岔管分塊參數(shù)

(1)岔管管節(jié)的環(huán)縫間距不應(yīng)小于960 mm。

(2)岔管管節(jié)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(jī)壓制成形，并用樣板沿弧度檢查線檢查鋼板弧度應(yīng)符合圖紙及規(guī)程要求。

對(duì)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(jī)卷制成形，卷制時(shí)應(yīng)根據(jù)錐管素線不斷調(diào)整，及時(shí)用樣板沿弧度檢查線檢查弧度，直到其符合要求。

對(duì)于岔管的A、B、C三錐，鋼板中部用框型壓力機(jī)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(jī)膜具調(diào)壓完成，鋼管壓制采取“整壓工藝“，壓制時(shí)應(yīng)根據(jù)錐管素線不斷調(diào)整，及時(shí)用樣板沿弧度檢查線檢查弧度，直到符合要求。

壓弧時(shí)要注意所有的標(biāo)識(shí)均在管壁內(nèi)側(cè)，不要壓錯(cuò)。壓制過程應(yīng)嚴(yán)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(yīng)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(xiàn)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(duì)月牙肋進(jìn)行組對(duì)焊接。月牙肋組裝時(shí)不僅幾何尺寸應(yīng)符合要求，還應(yīng)做到無錯(cuò)牙。另外，在下料的時(shí)候應(yīng)考慮月牙肋的頂部部位最容易發(fā)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(fā)生角形處理難度大，為確保質(zhì)量，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制并達(dá)到基本無角變形。月牙肋豎立、兩面對(duì)稱同步進(jìn)行焊接并建立監(jiān)控其變形的檢查體系，根據(jù)其變形情況及時(shí)調(diào)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(duì)成形的瓦片進(jìn)行岔管單錐的組裝，組裝時(shí)將軸線、素線對(duì)準(zhǔn)，將根部間隙控制在劃線時(shí)的間隙，使單錐組裝質(zhì)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(jìn)行組裝。組裝時(shí)月牙肋不能彎曲變形，應(yīng)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(shù)與焊接工藝參數(shù)的確定

7.1 焊縫坡口

(1)岔管段內(nèi)的各錐節(jié)、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(nèi)坡口達(dá)不到45°要求，可將肋外緣兩側(cè)按照三維空間計(jì)算出補(bǔ)償值并予以切除。但支錐側(cè)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(duì)油、水、銹等比較敏感，焊前應(yīng)將坡口及兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)進(jìn)行嚴(yán)格清理，凡經(jīng)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(qiáng)度，還促使延遲裂紋的產(chǎn)生，因此，應(yīng)用砂輪機(jī)修磨，清除氧化皮和滲碳層。在進(jìn)行下層焊接前應(yīng)將上層藥皮清除干凈，焊接背縫前應(yīng)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(cè)

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

7.4 焊前預(yù)熱

岔管壁厚為δ58和δ50，月牙肋厚度為δ120和δ100，焊前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100 ℃～150 ℃，預(yù)熱溫度在坡口兩側(cè)各50 mm處測(cè)量。

7.5 焊后消應(yīng)處理

因該岔管材料為WDB620高強(qiáng)鋼，根據(jù)DL/T5017-2007第7.1.1條之規(guī)定，不需作岔管消除應(yīng)力熱處理。岔管采用合理的焊接施工順序，使應(yīng)力得以在焊縫全長范圍內(nèi)均勻分布，以削減應(yīng)力峰值，同時(shí)，在焊接過程中，采用風(fēng)鏟進(jìn)行振動(dòng)消應(yīng)。

7.6 焊接工藝參數(shù)

坡口型式:縱縫、環(huán)縫采用不對(duì)稱雙面V型坡口。焊接材料及要求：焊條牌號(hào)為CHE62CFLH，烘烤溫度為380 ℃，保溫1 h。

層間溫度：小于100 ℃；

操作技術(shù)：微擺動(dòng)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(shù)見表3。

8 岔管的組裝或組焊

表3 焊接工藝參數(shù)表

8.1 單節(jié)組焊

單節(jié)縱縫的焊接方式采用手工電弧焊，焊接時(shí)，根據(jù)變形情況，合理地調(diào)整多層多道焊的順序。

縱縫的焊縫變形處理采用壓力機(jī)配制專用矯形工裝進(jìn)行。

8.2 整體的拼裝焊接

各單錐焊接均為手工焊，焊接參數(shù)嚴(yán)格按焊接工藝評(píng)定執(zhí)行。月牙梁自身對(duì)接縫焊前要求預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100 ℃～150 ℃，寬焊縫兩側(cè)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(cè)溫給主控箱實(shí)現(xiàn)溫控。組裝對(duì)接時(shí)應(yīng)預(yù)留變形，原則上焊后不進(jìn)行機(jī)械校正。對(duì)于整體組裝縫的焊接，應(yīng)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(yīng)力，焊接總流程原則上按先岔管主體焊縫，后各過渡錐環(huán)縫，再主管(支管)連接縫的順序施焊，即岔管主體焊接時(shí)應(yīng)設(shè)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(huán)接縫。月牙梁與分岔錐間的焊縫應(yīng)先外側(cè)焊接，后內(nèi)側(cè)清根焊接。焊工必須成偶數(shù)對(duì)應(yīng)退步施焊，焊接順序見圖2。對(duì)于錐與錐間的環(huán)縫，先里后外對(duì)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(huán)縫及與其它錐管環(huán)縫焊接時(shí)應(yīng)先內(nèi)后外焊接。注意外側(cè)清根時(shí)用預(yù)熱加熱片加溫并保持規(guī)定的預(yù)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(cuò)開100 mm。焊接工作要連續(xù)進(jìn)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(dòng)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(jī)將坡口內(nèi)認(rèn)真打磨干凈。

(3)月牙肋與支岔管相貫線焊縫為組合焊縫，應(yīng)力較復(fù)雜，且月牙肋板為Z向受力，容易產(chǎn)生撕裂，焊接時(shí)應(yīng)由肋板側(cè)向支管側(cè)過渡焊。

(4)月牙肋處相貫線組合縫清根和焊接時(shí)應(yīng)預(yù)加熱，并保持預(yù)熱溫度。

8.5 焊后處理

該岔管材質(zhì)為WDB620高強(qiáng)鋼，壁厚為δ50 mm和δ58 mm，月牙肋厚度為δ120和δ100，根據(jù)規(guī)范要求，焊后不再進(jìn)行退火處理。但為了保證岔管焊接質(zhì)量，以利于焊縫應(yīng)力的釋放，焊后應(yīng)做后熱處理，后熱溫度為150 ℃～200 ℃，后熱在焊后立即進(jìn)行，保溫時(shí)間不少于1 h。

9 結(jié)果與結(jié)論

(1)經(jīng)過1、2號(hào)岔管施工制造的實(shí)施，岔管各管片及各管錐組裝間隙、錯(cuò)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(jì)算對(duì)管片壓制、岔管組裝質(zhì)量起到了非常重要的作用。

(3)工藝評(píng)定是焊縫質(zhì)量的重要保證。針對(duì)岔管不同鋼種的焊接匹配、工藝參數(shù)的確定提供了基礎(chǔ)資料。

(4)模具及測(cè)弧樣板保障了管片壓制的精確性。

(5)偶算對(duì)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(jí)工程師，學(xué)士，從事金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與管理工作；

黃成林 (1977-)，男，四川宜賓人，工程師，從事金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)與管理工作.