武都电站机组蜗壳制造工艺及质量控制

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摘要：金属蜗壳是水轮机埋件的关键部位，技术要求高，制作工艺复杂。本文讲述了制造工艺准备和过程质量控制，确保蜗壳质量指标得到有效控制。

关键词：蜗壳；数控切割；瓦片卷制；制造工艺；质量控制

1. 项目概况

四川武都水电站共装机3台机组，单机容量50MW，该电站3套水轮机金属蜗壳由中国水利水电第五工程局有限公司机电制造安装分局第一水工机械厂承担制作，总工程量为150余吨。该水电站蜗壳特点为外形尺寸变化大，截面直径从最大4600mm过渡最小1200mm，座环直径为4905mm。根据设计图纸蜗壳由26节组成（包括1节凑合节），其中第4至17节，每一个单节由3种板厚不同的瓦片组拼而成，其余各节为单节整体制作，钢板材质为16MnR，板厚随外形尺寸减小而变薄，变化范围为28～16mm。蜗壳单线图如图（1）所示。各节瓦片在工地上现场焊接，每套蜗壳厂内完成蜗壳与座环的预拼装。蜗壳与座环拼装模型如图（2）。

2. 蜗壳制造工艺流程

技术工艺准备材料采购材料检查数控下料压头卷板放样地样焊接支撑加固与座环拼装验收防腐编号、出厂

3. 技术工艺准备

3.1 制定工艺

为了保证蜗壳制造质量满足图纸和业主要求，技术人员对厂内现有设备能力、制作能力、图纸和技术协议进行了综合分析，针对数控下料、坡口制备、瓦片卷制、校正、拼装、焊接、防腐等工艺流程制定了切实可行的方案，主要包括瓦片下料、卷制工艺图、工艺单、焊接工艺卡、蜗壳拼装作业指导书、蜗壳吊装作业指导书和防腐作业指导书等。瓦片的坡口形式如图（2）：

3.2 展开放样

蜗壳单节瓦片的进水口和出水口的半径不一样，进水口的半径要大于出水口的半径，单节制作是将进水口和出水口形状近似于圆进行分节，以减小放样、卷制和拼装的难度。由于同一节瓦片的进水边和出水边半径不一样，所以单节形状为斜锥。按设计图利用CAD绘制单节瓦片的展开尺寸。为验证展开数据是否正确，工艺人员利用CAD、钣金展开软件以及Solidworks软件对蜗壳进行二维和三维放样、展开以得到瓦片的展开图，且用δ=0.5mm的镀锌铁皮按1：20的比例制作了蜗壳模型。

3.3 技术安全交底

认真实施安全技术质量交底制度，蜗壳制造开始和每个工序施工前，由技术部和质量安全部对各施工班组操作人员进行技术、安全交底。根据交底的对象确定交底的内容，使每一位参与者都明白产品的结构特点、工期要求、制造程序、工艺流程、工序工作内容、标准操作程序、技术要求、规范及检测方法等。主要有蜗壳制造技术交底（下料、卷板）、蜗壳焊接技术交底、蜗壳组装技术交底、蜗壳吊装安全作业交底。

3.4 制定质量检验计划

质量检验部门收到工艺图纸后，根据图纸和技术协议以及GB/T8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》要求，制定详细的质量检验计划，并下发相关车间，由车间完成“一检”和“二检”，主要包括瓦片下料质量检验记录、瓦片卷制校正质量检验记录、蜗壳拼装质量检验记录、焊接过程控制记录、防腐过程控制记录、包装标识等。

4. 原材料准备

因为蜗壳的每一节管口尺寸都不一样，所以单节瓦片的展开尺寸都不相同，为减少材料损耗，提高材料利用率，降低生产成本，原材料为定尺采购。原材料进厂检验要求，对于所有到货的蜗壳钢板按要求进行超声波抽检，按照JB4730-2005执行，同时取样标识，送具有检验资质的单位进行化学成分和机械力学试验，各项指标合格后方可投入使用；根据工艺评定，选用的焊接材料到货后抽样送出检查，同时检查焊材外观及质量保证书，库存注意防潮，使用前须烘烤。

5. 下料施工要点及质量控制

将瓦片展开图录入数控程序中，对瓦片的水流方向和腰线进行标注，经检查确认无误后安排下料。下料具有以下特点：

5.1 腰线、水流方向、压头裁边量的标识

5.1.1 腰线位置的标识

腰线位置是提供给蜗壳整体拼装参考而增设的。方法是：在绘制切割零件时在蜗壳零件的理论腰线位置采取增画底a=10mm，高h=10mm的等腰三角形凸形标记，等腰三角形的中线位置即腰线，待数控切割后用粉线将两凸点连接成一直线，并用样冲标识打出距凸点40mm段，样冲间隔以5～8mm为佳，最后在切割坡口时将其凸点切割、打磨。

5.1.2 水流方向的标识

蜗壳零件两曲线边形状相似，待数控程序镜像、旋转切割后再确认水流方向较为困难，故在数控切割前在零件压头上增设小三角凸行标记。方法是：在压头上增画底a=10mm，高h=10mm的等腰三角形凸形标记，将其小三角标记看成是水流方向的箭头指向，以供数控切割后标识及卷制制作时参考。

5.1.3 压头裁边量（线）的标识

三辊卷板机，无法在瓦片两末端形成自然圆弧。为实现卷板两端弧面要求和卷制后的质量要求，制定的工艺为：下料对需卷制的蜗壳板件两端增画宽a=200mm，宽与端头宽度一致的引弧段进行下料。数控切割检查后用样冲标识出裁边线，待卷制后用半自动切割并制备端头坡口。

蜗壳零件放样在完成腰线位置、水流方向及压头裁边量的增设后，重新检查蜗壳切割零件是否为封闭轮廓曲线，检查无误后保存切割零件图。

5.2 数控切割

钢板定尺采购预留切割余量小，根据提供的数控切割指导书检查所用钢板与数控程序是否一致，并调整割咀垂直度，待确认后，开始进行数控空运行模拟切割，同时观察模拟切割路线是否在钢板范围内，最后调整切割程序路径为最佳位置后点火切割。

5.3 蜗壳零件标识

数控切割完成后，按提供的数控切割指导书标识要求，在零件上用油漆标识零件名称、水流方向、坡口形式及大小，同时将腰线、裁边线按要求用样冲进行标记。

5.4 切割零件的检查

瓦片标识后，划出瓦片引弧段裁边线并用样冲标识。测量零件对角线、弦长尺寸并记录，检查实测尺寸与放样理论尺寸是否一致，最终控制零件对角线尺寸偏差为±1mm，长宽尺寸偏差为±1mm。

5.5 焊接坡口的制备

武都蜗壳零件组圆焊接的坡口形式为直线和曲线K型对称坡口或K型非对称坡口，切割时将半自动切割机布置在与瓦片弧形基本一致的弧形轨道上，以保证割嘴与瓦片的曲线基本一致。切割后用砂轮机打磨光滑，达到满足焊接质量要求。

5.5.1 搭设坡口制备平台

在数控平台上临时增设5件I12-9000mm的工字钢，将其牢固的焊接在数控平台上，并确保增设的钢平台平面度≤3mm。

5.5.2 坡口制备技术

为便于半自动切割机操作，根据坡口深度和角度计算出瓦片上端坡口切割宽度。用划规量取上端坡口切割宽度将其紧固，沿砂轮机打磨光滑的瓦片外轮廓绘出等于切割宽度的一系列曲线并用石膏笔描绘清晰可见。

调整半自动切割机切割坡口角度，沿弧形轨道操作半自动切割机以曲线为参照，连续切割后形成完整的曲线K型对称坡口或K型非对称坡口。坡口切割完成后，清理粘附氧化铁，打磨局部不合格坡口面，对出现凹坑的部位进行补焊消缺处理。

6. 瓦片卷制成形工艺和质量控制

6.1 瓦片卷制

6.1.1 卷制设备：采用CDW25×2000三辊卷板机进行卷制

6.1.2 卷制方法：由于蜗壳圆弧段进出水口两种弧度不同，且两管口的半径不同，卷板时根据展开数据点绘制滚压线，并按滚压线卷制，同时应多次调整钢板倾斜方向，尽量使实际滚压方向接近理论压制方向，同时还应调整卷板机上辊的锥度，以保证两管口的弧度，如遇不满足要求时，重新调整锥度或在一侧加垫铁皮以达到弧度要求。卷制时，采用小进辊量反复多次卷制，并用弦长为1.5m的弧度样板检查其半径尺寸，误差不超过2mm。卷制好的瓦片后用半自动切割机切割首端和末端引弧段，并按图纸要求制备坡口。

6.1.3 瓦片质量检查：在自由状态下直立于平台上，用弧长约1.5m的样板检查。样板与蜗壳瓦块的间隙不应超过3mm，用钢卷尺检查瓦块弦长、对角线长、两管口外周长，同时记录跟踪。卷制前应及时消除氧化皮、铁锈等物，卷制中发现有拉（裂）痕，毛刺现象，应停止卷制，用抛光机磨平后再进行卷制，严重时，应进行补焊且进行PT探伤检查。

6.2 放地样组圆

6.2.1 瓦片卷制合格后，将管节吊至钢平台。在钢平台上用地规根据每一节瓦片的半径划圆，将各节瓦片放在平台上与弧线重合，按照图纸要求组圆，节间焊接加固。检查管口与弧线的重合度。平面度和圆度不满足要求的部位，用火焰校正的方式进行校正。通过火焰校正调整管口平面度、弧度以及主要控制尺寸如图（3） 瓦片组圆的主要控制尺寸示意图，检查合格后，拼装和焊接临时支撑和挂装吊耳。

6.2.2 质量控制要点：管口水平度

7. 蜗壳拼装工艺

7.1 拼装场地和设备的选取

利用Solidworks软件绘制蜗壳与座环的立体拼装放样图，根据三维放样，实测拼装过程中需要的数据进行拼装场地的规划、座环支撑的设计等。

武都水电站蜗壳拼装后外形尺寸为11372mm×12381，座环重量约为25t，拼装场地选在车间内进行，起吊设备为车间的两台20t桥机。在50t门机区完成座环的翻身，用40t载重汽车运至车间内。

7.2 拼装地样及支撑设置

7.2.1 根据蜗壳拼装的特性尺寸设计座环的支撑架，用于蜗壳的立式拼装。制作车间按照蜗壳焊接图纸中的尺寸放地样，将支撑搭设在固定位置。利用桥机将座环吊装到支撑结构上，并焊接加固。支撑结构要避开座环的X、Y轴线，以免防碍座环的X、Y轴线的放样。

7.2.2 用水平仪将座环调水平，即座环的各导叶上的水平线（用样冲标记）要在同一平面。座环的水平度应在2mm以内。

7.2.3 根据座环上标识的X、Y轴线，用吊线坠的方式在平台上放出X、Y点，用样冲和油漆标识，做出 X、Y轴线，确定座环中心在地面的位置，并用样冲和油漆标识。

7.2.4 检测座环上的尾端管口的垂直度、管口高低点的高程、水平腰线的高程以及最远点距离，按照单线图放舌板的地样，检测无误后方可挂装。

7.3 蜗壳的挂装

7.3.1 分别以尾端管口和+X轴为挂装的定位节，在+X轴远点位置任取一点，用经纬仪在座环过渡板上测出两点并标记，作为定位节的控制点，安装定位节前在上下过渡板的标记处焊挡板，用20t桥机将蜗壳定位节吊装在安装位置，调整蜗壳最远点的高程、半径及进口断面的倾斜值与控制线之间的距离，达到要求后进行固定焊接，焊接后应有足够的刚度和强度。对定位节的安装尺寸做出全面检测，在确定无误的情况下安装其他管节，安装方法同定位节。

7.3.2 武都水电站蜗壳设计有1节凑合节，厂内不进行拼装，严格按凑合节图纸要求进行制造和检测。

7.3.3 各节瓦片安装时要检查进水边、出水边的管口垂直度，管口垂直度应控制在3mm以内。管节的水平腰线与座环中心的高程差控制在3mm以内。最远点半径允许偏差为±0.004R，R指设计半径。挂装时做好单节瓦片的高低点标识。

7.3.2 蜗壳的所有拼装间隙（蜗壳与座环过渡板、舍板与蜗壳相配处）要求1～2mm，间隙超标处要补焊处理，做PT探伤。

7.4 蜗壳的焊接

武都水电站蜗壳的进口前3节由于直径较大，展开长度超过14m，为降低制作难度，每节瓦片分为两段下料、制作，大拼后完成纵缝焊接。

焊接方法为手工电弧焊。按对称的区域偶数安排焊工，焊前加固焊点。焊接时采用分段逐步退焊法及多层多道焊，各焊工的焊接工艺参数力求一致，以减小焊接应力与变形。在焊接过程中进行连续性监控，当发现变形时或需重新修订焊接工艺参数时立即停止施焊，并查找原因，直至制订出合适的焊接工艺才能继续焊接。

7.5 验收及消缺处理

蜗壳厂内拼装完成后，由质检程序进行检验。终检合格后报业主验收。对制作中存在的缺陷及时进行处理，并通知质检人员复检合格后转入防腐工序。

8. 结束语

在这次蜗壳制作中，采取了一系列的技术措施和质量保证措施，确保了武都水电站蜗壳制造质量达到设计图纸要求，为今后蜗壳的制造积累了丰富的技术经验。