水轮机座环制造工艺过程

1、第3章 水轮机座环制造工艺过程3.1 工艺流程根据前述的工艺性分析。设计座环的制造工艺流程如图3-1所示。下料（数控气割）备料边缘、坡口加工成形（弯曲）部件装配-焊接孔加工总装配矫形 涂饰无损检测包装并检验运输工地成品质检工地总装配-焊接图3-1 混流式水轮机座环制造流程图3.2 下料水轮机座环主要是低碳钢Q235钢板，满足气割的三个基本条件：金属燃点低于其熔点，金属可以在固态下燃烧。金属能与氧发生强烈的燃烧化学反应，释放出足够的化学反应热。这种化学燃烧热还必须保证切割段前缘和底层金属连续快速预热到金属燃点。金属燃烧产生的氧化物（渣）的熔点应低于金属的熔点，液态金属具有良好的流动性，否则容易阻

2、碍金属与氧的相互作用进而影响连续化学燃烧反应，使切割过程无法正常进行。混流式水轮机的座环的上环板、下环板都可以使用用数控气切割机的方式下料，焊接时，由于气割引起的钢材热区，必须留有一定的加工量，上下吊顶采用半自动气割机切割，两端涂10mm工艺涂料，大舌板采用半自动气割机切割。固定导叶也采用半自动气割机切割。高度方向为轧制方向，高度尺寸留15mm加工余量。找平后用半自动气割机切割。上过渡板、下过渡板均采用数控气切割机加工，跨分瓣面处的过渡板应该在展开长的方向留20mm的加工余量。蜗壳筋板、法兰支撑环板、肋板和基础环都采用数控气切割机的方式下料，半气割开出焊接时的坡口。表3-1氧乙炔等压式割炬（机

3、器切割）工艺参数材料板厚/mm切割氧孔径/mm氧气压力/MPa切割速度/mm·min-1气体消耗量/L·min-1氧气乙炔191.01.50.150.350.150.380.160.380.160.420.200.350.280.420.350.45385655755.77.2251.21.5354861.781.76.27.5381.72.1303886.71136.58.5501.72.1253586.71237.59.5752.12.2203898.31577.510.81002.12.216231381829.812.31252.12.2141916319310.8

4、13.73.3 零件拼接及焊接接头零件拼接接头是用焊接的方法连接时不可拆卸的。在焊接的结构中，焊接接头通常都要承担两方面的作用：第一个是连接的作用，就是把要焊工件连接成一整体；第二个是传导力的作用，即传递工件上所需承受的载荷力。焊接作为现代理想的连接手段。焊接接头具有非常明显的优点：一是承载能力的多方向性。二是结构多样性。第三是连接的可靠性。现代焊接和检测技术可以保证焊接接头的高质量和高可靠性，是现代工业各金属结构，尤其是大、特大型结构理想的连接方法；四是加工的经济适用性，焊工的操作难度较低，基本可以实现半自动化及自动化，检查和维护较为简单，修理也容易，制造的成本也相对较低，基本可以做到成品率

5、高。混流式水轮机的座环及各零件的焊接接头形式有：角接、搭接、对接、斜接、T型接头。上过渡板、下过渡板、上环板和下环板可采用斜接焊接。上过渡板和下过渡板的钝边为双单边V形。采用多道焊和熔透焊。过渡板与环板之间的焊接接头，如图3-2所示。 图3-2 过渡板与环板的焊接接头 图3-3 过渡板与过渡板的焊接接头过渡板与过渡板的拼接形式可采用双面单边V型坡口、多道焊和熔透，如图3-3所示。环板与筋板、固定导叶与环板的拼接可采用T型焊接接头，固定导叶可采用双单边V型坡口，全熔透可采用多道焊，如图3-4所示。 图3-4 环板与固定导叶焊接的接头 图3-5 肋板与环板焊接的接头肋板与环板拼接形式为角接接头，装

6、焊时肋板采用开单边V形坡口，如图3-5所示。带耳上下肋板拼接形式为搭接焊，组装焊接时肋板上设有单边V型槽，如图3-6所示。管道焊接可采用对接、单面V型坡口、多道焊、全熔透，如图3-7所示。 图3-6 上下带耳肋板间焊接的接头 图3-7 管路焊接的接头蜗壳与上环板、下环板蜗壳与上环板、下环板拼接形式可采用斜缝，上过渡板、下过渡板可采用钝边开双面单边V型槽，采用多道焊和熔透。如图3-8所示。T型接头可用于大舌板与上、下环板的拼接，采用双单边V型坡口多道焊，如图3-9所示。 图3-8 蜗壳与环板焊接的接头 图3-9 大舌板与环板焊接的接头表3-2 坡口尺寸构件尺寸1/2/h1/mmh2/mmb/mm

7、c/mm过渡板与环板354530232过渡板与过渡板25253023环板与固定导叶20203030肋板与环板45452525补强圈458管路22.5蜗壳与环板35大舌板与环板4040454510混流式水轮机的座环的各零件坡口尺寸如表3-2所示。由于混流式水轮机的座环的板厚很厚，所以零部件的焊接方式都使用是多层多道焊接。多层多道焊的焊接参数如表3-3所示。表3-3 多层多道焊的焊接工艺参数每层道数焊丝直径/mm电流/A电压/V焊接速度/cm·min-111.212016521.213018531.21351854n1.2180245混流式水轮机座环Q235钢结构可采用MAG（82%Ar

8、+18%CO2）焊接。可用于薄板和中厚板的焊接。通过适当调整焊接参数，可实现任意空间的全位置焊接。焊接材料选用低氢的ER50-2。焊接工艺要点：焊接前应清除接头两侧表面的铁锈、水分和油污。当板厚超过规定值时，应进行焊前预热和焊后热处理，消除内应力。预热和焊后热处理温度可按表3-4规定。 表3-4 低碳钢结构的焊前预热和消除应力处理钢号板厚/mm预热温度/消除应力处理温度/Q2355090>100600650MAG焊焊接参数如表3-5所示。表3-5 MAG焊焊接参数焊丝类型焊丝直径/mm电流/A电压/V焊接速度/cm·min-1ER50-21.2120200162538水轮机进口

9、材料选用马氏体不锈钢（12cr13），上环板、下环板和固定导轴采用的焊接工艺为MIG焊（富氩气体），选用E309焊丝进行MIG焊。因为电流会增加热输入，所以焊接电流不宜过大，以免产生热裂纹。MIG焊焊接参数如表3-6所示。表3-6 异种钢（Q235-12Cr13）焊接参数焊接方法极性填充金属焊接电流/A焊接电压/V名称直径/mm平焊、仰焊立焊仰焊131DC+ER3091.21201601101501101501101503.4 成形金属材料的成形和加工可在高温和常温下进行。对于塑性好的金属板材、薄壁金属型材和管材，可以在室温下进行冷成形，但对于强度高、塑性差、板材又大又厚的板材，在热成形前需要

10、加热到一定温度。在冷成形过程中，应注意将变形控制在标准规定的范围内。过大的塑性变形会引起金属的冷硬化，降低材料的塑性和韧性。金属的热成形应在6001000的温度范围内进行 根据钢材强度等级、板厚及热成型设备。混流式水轮机座环过渡板、肋板、环板、座环和支承板均采用数控气割成形。肋板还需要用3000t液压机将槽面打磨平整，过渡板和蜗壳需采用3000t的油压机压力成形的方法加工。固定导叶下料后，校平后再转加工，用数控铣床进行下一步加工。3.5 坡口及边缘加工混流式水轮机座环槽边可采用铣削、车削、刨削加工。肋板的边、槽一般采用刨、铣加工。车削和铣削主要用于蜗壳和气缸的边缘和凹槽；但座环各部位尺寸过大，

11、超出机床加工范围，可采用电动磨床磨削。检查并清理各结合面焊缝坡口表面及坡口两侧表面50mm范围内的毛刺、氧化皮、铁锈等杂物，露出原有的金属光泽。通过消除混流式水轮机的座环零件的边缘缺陷。从而提高混流式水轮机的座环表面质量，同时也为混流式水轮机的座环的后期加工创造了条件。 3.6 部件装焊3.6.1座环分两瓣装焊根据给定图纸尺寸可知，该混流式水轮机的座环可现场两件组焊。以下六点是现场组装和焊接要点：（1）将各阀座圈下环板内圈中心放在加工平台上，平面度不大于4mm。（2）在上下环板上画出与固定导叶相切的内外圆线和导叶装配位置线，作为环板端部中分面上的加工线和环板的内圆加工线，并冲密样。（3）根据固

12、定导叶在下环板上的位置线，依次吊装各固定导叶。吊装导叶时，固定导叶与环板之间应垫3mm厚垫片。带孔导叶，搭接焊前应与环板上的孔对齐。（4）检查导固定垂直度,保证其垂直度小于2 mm，Q235角钢的搭焊牢固，焊角为6mm。在固定导叶与环板之间再用弧形搭板搭焊牢固。（5）吊起座环上环板时，应按线找正，调整后与弧形搭板焊接牢固。确保环板之间的装配高度比理论高度高10-15mm。（6）组装焊接时，支撑拉杆应尽量靠近固定导叶的尾部和头部。所有拉筋、拉筋和环板应焊接牢固。图3-10座环两瓣瓣装焊定位焊用手工电弧焊，选用E4315焊丝。焊接时的工艺参数，如表3-8所示。其余的焊缝宜选用MAG焊。其焊接时的工

13、艺参数，如表3-5所示。3.6.2 过渡段的装配焊接过渡板的焊接主要是采用MAG焊法。焊接工艺参数见上表3-3。下面是上下过渡板的装配和焊接顺序。（1）座环中心参照导叶内外切圆半径确定。绘制上围板、上肋板、上肋板的装配位置线，并做好打样、冲孔标记。（2）根据过渡段的布置，画出各上过渡段的径向指标线，并打样冲孔。（3）按照过渡段的布置图，划出每一个上过渡段径向分度线，打样冲孔。（4）按划线装配与过渡段连接的肋板。（5）焊接顺序的确定。首先，肋板与环板、上过渡段的焊接应在两侧对称进行,以保证肋板的垂直度。最后，过渡段与环板、过渡段两侧的焊接应交替进行，直至全部焊接任务完成。在焊接过程中，应随时监测

14、过渡段的倾斜方向，以便随时调整焊接顺序，控制焊接变形。（6）混流式水轮机座环翻转180, 下过渡段与下肋板的组装焊接方法相同。图3-11 过渡板与环板的装焊 图3-12 过渡板与过渡板的装焊3.6.3 围板装焊围板主要就是与上环板、下环板及上法兰和支撑环的焊接，都使用的是T型接头。座环翻转180°，下半部分的组装焊接方法相同。（1）为保证装配焊接质量，将上围板与上法兰盘、下围板与下支撑板分别焊接成一个结构。（2）将上法兰盘放在平台上找平，划出上围板位置线，开始吊装上围板，调整垂直度小于2mm，搭接焊牢固，每800mm左右对称焊接工艺肋板，焊接牢固。下围板和下支撑板的装配方法同上。焊接

15、后，通过搭接焊接牢固，形成背对背的焊接方法。（3）为了控制围板的垂直度，应交替进行对称焊接。图3-13 围板与环板装焊3.6.4 围板、肋板和围板的装焊围板、肋板和围板的焊接，采用MAG焊。焊接工艺参数，如表3-5所示。以下是组装和焊接的顺序。（1）将带孔加强板与上筋板焊接，并按所画线吊起上筋板和上筋板。（2）焊接上筋板、上筋板、上环板。（3）检查上肋板的径向尺寸和高度尺寸，修整上肋板和上肋板。（4）分别装配上法兰盘和上围板，围板和肋板靠紧后焊接牢固。（5）划出上围板并组装导块。（6）将座环翻转180° ，然后，用同样的方法在下环板上组装项目。（7）焊接顺序：先焊筋板、筋板、环板的角

16、焊缝，再焊围板、环板的坡口焊缝，每个筋板的筋板应间隔焊接。3.6.5 焊接参数混流式水轮机的座环的定位焊需采用手工电弧焊，进行上法兰和上筒体的焊接时，需要用到三角挡板进行定位，此时需要用到手工电弧焊来定位焊接。层间温度应小于200；带动的宽度3倍焊条的直径；应采用低氢型焊条。其焊接时的参数如表3-7。表3-7 手工电弧焊典型焊接参数焊条型号焊条直径/mm电流/A电压/V焊接速度cm·min-1E43154.0120200162538用火焰加热法，对待焊区及其附近区域进行预热，使待焊区及其附近100mm内的温度达到120，在整个焊接过程中材料温度不得低于其预热温度。在水轮机焊接过程中，

17、具体手工电弧焊接参数如下表3-8所示。应注意是固定导叶与上、下环板的焊接属于异种钢，焊接参数如表3-9。表3-8 Q235钢焊接参数极性填充金属焊接电流/A焊接电压/V名称直径/mm平焊、仰焊立焊仰焊DC+E43154.01352001301751351702125表3-9 异种钢（Q235-12Cr13）焊接参数焊接方法极性填充金属焊接电流/A焊接电压/V名称直径/mm平焊、仰焊立焊仰焊111DC+E308L4.012016011015011015020253.6.6 焊接顺序及焊缝分布水轮机座环部件焊接顺序为：环板与固定导叶焊缝围板与肋板、上法兰起支撑底环与围板、肋板焊缝过渡板的焊缝。单条

18、焊缝顺序：正面焊缝焊接50背面焊缝清根、进行打磨、探伤仪探伤背面焊缝清50正面焊缝焊接100背面焊缝清100。焊接顺序及焊缝分布如图3-14。图3-14 焊接顺序及焊缝分布图3.7 机械加工3.7.1 水轮机座环机械加工内容（1）底环法兰面平面加工；（2）座环肋板、上环板的平、立加工；（3）座环底环及下法兰连接面平面加工；（4）下环板垂直环加工；（5）座环连接螺栓孔应钻孔。图3-15 水轮机座环整体机械加工图3.7.2 水轮机座环机械加工 水轮机座环机械加工的方法用立式车床机械加工。座环机械加工工艺流程大致为：下法兰面环加工下环板内环加工上环板内环加工上环板密封槽加工法兰轮加工全面检查验收铣床

19、拆卸、吊出孔预安装座环加工底部环连接螺栓孔和销螺栓引导叶和顶盖的预安装和调整顶盖连接的螺栓孔和销孔机械加工。首先，进行加工面的粗加工。机器加工的余量还有2mm左右的时候，进行半精密机械加工。第一，检查调整铣床的水平。第二，把法兰面弄平，准备最后的精密机械加工。由于加工平面比较宽，我们可以将圆环体分成几个圆进行加工。先加工内圆为基准面，再按压线径向加工其余圆，用直尺和水平尺检查圆周和径向水平。当加工余量只有1mm时，进行精加工，此时进给量为0.3mm 0.15mm 0.1mm 0.05mm，然后用电子水准仪测量。如存在高点，可将高点部分用铣刀再按高点数据进行局部加工，在测量时应该每圈尽可能多测量

20、几点。如果符合要求后进行最后验收。加工尺寸的复测：将加工设备从机器孔中拉出来，用测定平台再确认加工中心制作水平线。座轮连接孔、针孔加工：将钻头吊到机器坑后，放在加工平面上，吊在钻头上，调整其水平度和位置。这个工作是为交叉作业预先安装导水机关。为了提高进度将在待加工工件的两个相对位置同时进行钻孔。3.8 总装焊接3.8.1水轮机座环基础环吊装在座环吊装前，将拼接好的基础环整体吊入机坑就位，用千斤顶对称支撑座环。为防止环的升降的影响，将座环放在比设计低约50mm的位置。3.8.2水轮机座环吊装在吊起座环之前，在环支架均匀方向配置4台100t千斤顶，采用550t桥式起重机整体吊起。座轮应该放在机器坑

21、内的支柱上。通过调整千斤顶，吊起座环。此时调整楔子的上面的标高比实际的标高低35mm，调整座环的千斤顶的标高比实际的标高低35mm。导叶的中心面是根据检查的各导叶的中心点决定的。调整千斤顶，不超过固定中心面的标高和设计值的偏差±3mm。座环标记中心线、座环中心线和座环上、下环板法兰面三个平行面。通过坐环中心线的海拔和水平调整后，会多次测量座环上、下环板法兰面的水平。 座轮的中心和方位用吊环、千斤顶等进行调整，单值偏差不超过± 3毫米。完成了环的定位、中心、水平、标高的调整。测量座环上下密密封面的同轴度和圆度。测量座环上下密密封面的圆度。座环上下密密封面的圆度不超过2mm。座

22、环的上下密封面同轴度在2mm以下。通过环的定位、中心、水平、标高的调整，座环同轴度检查后，拧紧相应的楔子。然后，取出调整用的千斤顶，根据设计要求，将对应的螺栓预先拧紧至设计值。拧紧地脚螺栓后，确认座席环的方位、中心、水平、标高，确认座席环的同轴度是否符合要求。请根据要求，将座轮的地脚螺栓的圆螺母焊接固定。3.8.3水轮机座环附件安装座环调整后，按要求组装导板、导叶集水坑箱、过渡板等附件，座环按要求适当加固。过渡板安装时，溢流面错牙合不应超过3mm，局部错牙合应大于3mm且不能调整。溢流面采用1:4焊缝过渡；同时，非流动表面应采用1:3的焊缝过渡。3.8.4工地组焊工艺要点混流式水轮机工地现场组

23、焊主要采用MAG焊焊法，应选用碱性的焊丝，焊接参数按表3-3规定。现场环境要求：施工加工现场温度不低于5，空气相对湿度不大于85%，焊剂、焊丝等焊接材料的存放地点应保持干燥，工地组焊应特别注意风的影响，有风的条件下，要做好防风挡风的措施，相对湿度不能大于60%。要控制焊缝的综合收缩量：焊缝打底以及焊缝的两边焊接厚度达到坡口深度的1/2，此时焊接的收缩量最大，因此在这一范围的焊接时一定要严格地控制焊接线能量以及焊道的摆宽等焊接工艺参数，制定焊接工艺的时候，要重点考虑能有助于降低零部件的焊接残余内应力的焊接顺序，尽可以减小残余内应力对焊接变形的影响。选择的主要工艺方法：（1）座环的平面度、圆度应按图纸及有关标准的要求进行调整，结合面螺栓应紧固。为了监测座环的焊接变形，焊接前应对每个座环的接头进行标记，以便测量焊接后的变形。框架水平仪和水平仪用于监测焊接过程中两侧平面度的变化。每次完成测量过程，记录焊接变形，为焊接顺序和参数的调整上打下基础。（2）每个焊缝由8名焊工分为上下两个焊缝，每个焊缝由1名焊工对称焊接。环板预热温度在100以下，每层焊接厚度在45mm。将两个焊缝焊接在根部时必须选择。 4.0mm焊接棒应用小电流焊接，焊道宽度不超过15mm。（3）各层焊接后，除了第一层和最后一层，需要消除层间焊接应力。锤子磨圆了。链球点密集分布，不可重复。在表面