(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 引言

球形岔管多用于管徑小水頭高的水電站，根據(jù)球形岔管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力分析[1]，補(bǔ)強(qiáng)環(huán)型體及尺寸的變化，以及球殼壓制后的壁厚變化，都會引起球形岔管在水壓作用下補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的受力力矩不平衡，降低球形岔管可靠性。由于球形岔管補(bǔ)強(qiáng)環(huán)截面大且型體復(fù)雜，同時(shí)與球殼焊接時(shí)屬異種材料焊接，且球殼焊接時(shí)對焊縫約束較大，容易產(chǎn)生大的焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，因此，其制作技術(shù)與工藝要求較高?，F(xiàn)結(jié)合巧家縣清水河電站的球形岔管制作，介紹球形岔管制作過程中的關(guān)鍵工藝。

巧家縣清水河電站位于云南巧家縣新店鄉(xiāng)牛欄江左岸，距巧家縣城約75km，距昭通約55km。本電站兩趟壓力管道，兩個(gè)球形岔管，采用一管雙機(jī)的聯(lián)合供水方式，經(jīng)岔管分岔后分別向兩機(jī)組供水，主管內(nèi)徑φ800mm，采用明管布設(shè)，支岔管澆筑混凝土埋設(shè)。其中，1#球形岔管球殼內(nèi)徑φ1200mm，球殼壁厚32mm，材質(zhì)為15MnNbR，補(bǔ)強(qiáng)環(huán)材料為20MnMo，正常工作水頭872.9m，水壓試驗(yàn)最大壓力要求為15MPa。1#球形岔管結(jié)構(gòu)見圖1

圖1 1#球形岔管結(jié)構(gòu)示意

2 關(guān)鍵工藝

2.1 工藝流程

放樣→切割下料→半球殼壓制→半球殼壁厚修整及破口加工→球殼拼裝→球殼開孔→球殼焊接→拼裝補(bǔ)強(qiáng)環(huán)、過渡管→焊接→拼裝主、支管延伸節(jié)→焊接→整體去應(yīng)力退火→水壓試驗(yàn)→表面防腐→出廠。

2.2 切割下料

球殼由兩個(gè)相同的半球?qū)雍附佣?，兩個(gè)半球均采用鋼板下料后熱壓制成型，由于壓制會引起壁厚變薄，半球的殼底壁厚減少量大、管口壁厚減少量小，鋼板下料前需考慮壓型后的壁厚變化，應(yīng)有足夠的厚度余量，同時(shí)為確保壓型后球殼尺寸滿足要求，下料時(shí)管口也應(yīng)留有余量。半球殼壓制成形后，為減少壁厚變化對球形岔管補(bǔ)強(qiáng)環(huán)受力平衡的影響，需對半球殼壁厚超厚的位置進(jìn)行加工去除，以及加工去除管口長度余量，管口加工為X型焊縫坡口。采用火焰切割完成球殼、過渡管、支管、主管下料，球殼板厚及展開半徑預(yù)留余量，用于熱壓成型后進(jìn)行加工修整；主管、支管長度(軸線方向)各預(yù)留余量，用于水壓試驗(yàn)后割除悶頭時(shí)主管及支管長度不受影響。

2.3 球殼成型

球殼內(nèi)徑φ1200mm，壁厚32mm，材料為15MnNbR。球體分兩個(gè)半球殼，分別采用專用模具熱壓成型，然后將兩個(gè)半球殼拼焊為球體。根據(jù)模具熱壓工藝的特點(diǎn)，鋼板經(jīng)高溫后在壓制過程中鋼板會產(chǎn)生延伸，引起圓弧頂部壁厚減薄量大，半殼口部壁厚減薄量小，造成半球殼壁厚厚薄變化大，將影響后序補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的焊接及補(bǔ)強(qiáng)環(huán)的受力。因此，需對半球殼壁厚偏差進(jìn)行修整，通常采用車床進(jìn)行加工修整，使壁厚厚度差控制在2mm以內(nèi)，同時(shí)加工去除下料時(shí)預(yù)留的余量，加工焊接坡口。

2.4 補(bǔ)強(qiáng)環(huán)加工

補(bǔ)強(qiáng)環(huán)是球形岔管最為重要的部件，主管補(bǔ)強(qiáng)環(huán)內(nèi)徑φ800mm，外徑φ1084mm；支管補(bǔ)強(qiáng)環(huán)內(nèi)徑φ500mm，外徑φ840mm，材料均為鍛鋼20MnMo。毛坯為鍛造成型，毛坯應(yīng)預(yù)留足夠的加工余量，毛坯鍛造，采用機(jī)加工成型。由于補(bǔ)強(qiáng)環(huán)尺寸對球岔受力影響大，因此，首選數(shù)控車床完成加工，如采用普通車床加工，則需借助靠模進(jìn)行加工控制。加工基準(zhǔn)的選擇，首先以毛坯外圓為基準(zhǔn)，完成內(nèi)孔及斷面加工；然后再以內(nèi)孔和已加工完的斷面為基準(zhǔn)，完成外圓加工。

2.5 過渡管節(jié)、主管延伸節(jié)、支管延伸節(jié)加工

過渡管節(jié)為厚壁直管，一端與補(bǔ)強(qiáng)環(huán)對接，另一端與主管延伸節(jié)(或支管延伸節(jié))連接，與補(bǔ)強(qiáng)環(huán)對接一端壁厚變化較大，采用車床加工過渡。由于管徑小、管壁厚，直徑與壁厚比超出了規(guī)范冷卷規(guī)定的直徑與壁厚比，因此，主管延伸節(jié)、過渡管節(jié)及支管延伸節(jié)均采用熱卷成型，對接坡口均采用車床加工而成，坡口型式為X型坡口。

2.6 補(bǔ)強(qiáng)環(huán)、球殼、過渡管拼裝

首先將兩半球殼拼裝為球體，以分半面為基準(zhǔn)找平后，劃出主管、支管軸線中心，使主管軸線、支管軸線在同一平面內(nèi)；然后在球殼上分別劃出主管孔、支管孔切割控制線，完成切割開孔并打磨規(guī)整對接坡口。補(bǔ)強(qiáng)環(huán)與球殼拼裝時(shí)，采用水準(zhǔn)儀控制主管軸線、支管軸線高程，控制兩半球殼分界面、主管軸線、支管軸線位于同一平面上，并采用鋼卷尺控制兩支管開口尺寸。

2.7 球形岔管焊接[2]

兩半球殼對接焊、過渡管節(jié)與補(bǔ)強(qiáng)環(huán)焊接、球殼與補(bǔ)強(qiáng)環(huán)焊接，焊前對不規(guī)則焊道進(jìn)行修整，清理干凈焊道內(nèi)及焊道兩側(cè)的氧化物及雜質(zhì)，焊接前，采用加熱片對焊縫中心線兩側(cè)各200mm范圍內(nèi)進(jìn)行均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度在80℃～150℃，采用紅外測溫儀測量控制加熱溫度。

對兩半球殼對接焊縫焊接，先焊球體內(nèi)焊縫，外壁清根后焊接；補(bǔ)強(qiáng)環(huán)與球殼、過渡管節(jié)的焊接，先焊外側(cè)焊縫，內(nèi)側(cè)清根后焊接。焊接中采取覆蓋保溫、焊后立即按規(guī)范進(jìn)行后熱。焊縫合格后，組焊導(dǎo)流板，導(dǎo)流板開設(shè)單面坡口，只焊接導(dǎo)流面焊縫，背面為封閉腔，不焊接。

本岔管焊縫采用手工電弧焊，選用CHE557R高韌性低氫型焊條，按說明書要求進(jìn)行烘焙后保存在100℃～150℃恒溫箱中，隨用隨取。焊接時(shí)2人對稱并采用小電流多層多道的焊接方法，層間接頭應(yīng)錯(cuò)開30mm以上，控制層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度且不高于210℃，焊接工藝參數(shù)見表1。

2.8 去應(yīng)力退火[3]

球形岔管所有焊縫焊接完畢并合格、幾何尺寸等檢查合格后，進(jìn)行去應(yīng)力退火，退火方式為爐內(nèi)整體去應(yīng)力退火，去應(yīng)力退火曲線見圖2。

表1 焊接工藝參數(shù)

圖2 去應(yīng)力退火曲線

嚴(yán)格控制升溫速度、保溫時(shí)間及降溫速度，常溫升溫至300℃時(shí)保溫一段時(shí)間再繼續(xù)升溫，并控制升溫速度；控制降溫速度，避免降溫過程中產(chǎn)生新的冷卻應(yīng)力；溫度降至300℃并保溫使各部溫度均勻后方可開爐冷卻至常溫。

3 水壓試驗(yàn)

3.1 水壓試驗(yàn)布置

在主管管口、支管管口設(shè)置半球殼悶頭進(jìn)行封堵，主管悶頭與主管對接焊縫內(nèi)外焊接焊透，支管悶頭其中一個(gè)與支管對接焊縫只能進(jìn)行管外焊縫焊接，在管外壁圓周設(shè)置連接板對該焊縫進(jìn)行加強(qiáng)。在悶頭上布置壓力表、充(排)水閥、排(補(bǔ))氣閥、截止閥，排(補(bǔ))氣閥應(yīng)布置在最高點(diǎn)上，并設(shè)置內(nèi)置排氣管排出球殼頂部位置的空氣，加壓設(shè)備為電動加壓泵。1#球形岔管水壓試驗(yàn)最高壓力為15MPa，水壓試驗(yàn)布置見圖3。

圖3 水壓試驗(yàn)布置示意

3.2 悶頭計(jì)算

分別在主管管口、支管管口設(shè)置半球殼悶頭，悶頭材料為Q345C。分別與主管、支管直徑一致。悶頭壁厚計(jì)算[4]：

式中：K1——系數(shù)，K1=1.1～1.2；P——內(nèi)水壓力，MPa；R——悶頭內(nèi)半徑，mm；φ——焊縫系數(shù)，取0.9；[σ]——許用應(yīng)力，MPa；[σ]=σs×0.55=325×0.55=178MPa。

為便于悶頭與管口對接，主管悶頭壁厚取36mm，支管悶頭壁厚取30mm。

3.3 水壓試驗(yàn)步驟

3.3.1 準(zhǔn)備工作

水壓試驗(yàn)前，按技術(shù)要求對岔管幾何尺寸、焊縫隙質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，清除管內(nèi)雜物。焊縫均按一類焊縫施焊檢查。檢查加壓泵、儀表及其它附件，確認(rèn)完好無損并滿足水壓試驗(yàn)要求。

3.3.2 試驗(yàn)步驟[5]

(1)打開排(補(bǔ))氣閥，關(guān)閉充(排)水閥，打開壓力表；

(2)開啟充(排)水閥，緩慢向球形岔管內(nèi)充水(水溫不小于5℃)，直至充滿，水從排(補(bǔ))氣閥溢出，充分排完球形岔管內(nèi)的氣體，關(guān)閉充(排)水閥，關(guān)閉排(充)氣閥；

(3)啟動加壓泵，以不大于0.05MPa/min的速度分級升壓至額定工作壓力8.73MPa，保持30min以上，對岔管進(jìn)行檢查，觀察壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，指針無顫動現(xiàn)象；

(4)以不大于0.05MPa/min的加壓速度升壓至10MPa，保持10min以上，對岔管進(jìn)行檢查，觀察壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，指針無顫動現(xiàn)象；

(5)以不大于0.05MPa/min的加壓速度升壓至12MPa，保持10min以上，對岔管進(jìn)行檢查，壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，不應(yīng)有顫動現(xiàn)象；

(6)以不大于0.05MPa/min的加壓速度升壓至13.5MPa，保持10min以上，對岔管進(jìn)行檢查，壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，不應(yīng)有顫動現(xiàn)象；

(7)以不大于0.05MPa/min的加壓速度升壓至最大試驗(yàn)壓力15MPa，保持30min以上，對岔管進(jìn)行檢查，壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，不應(yīng)有顫動現(xiàn)象；

(8)通過增壓系統(tǒng)的溢流控制閥以不大于0.05MPa/min的速度分級降壓至額定工作壓力8.73MPa，保持30min以上，對岔管進(jìn)行檢查，壓力表指針應(yīng)保持穩(wěn)定，不應(yīng)有顫動現(xiàn)象；

(9)通過增壓系統(tǒng)的溢流控制閥以不大于0.05MPa/min的速度分級降壓至岔管內(nèi)水的自重壓力；

(10)打開排(補(bǔ))氣管閥門后，再打開充(排)水閥，排放岔管內(nèi)的水；

(11)排空岔管內(nèi)水后，火焰切割去除主管、支管上的悶頭。

4 小結(jié)

通過云南巧家清水河水電站的球形岔管制作，重點(diǎn)對切割下料、球殼成型、補(bǔ)強(qiáng)環(huán)加工、拼裝及焊接、去應(yīng)力退火等工序進(jìn)行了嚴(yán)格控制，取得了良好效果，各工序質(zhì)量均一次合格，產(chǎn)品質(zhì)量提升明顯，一次通過15MPa的水壓試驗(yàn)，于2014年投入使用，至今運(yùn)行良好。本制作工藝對類似的高水頭球形岔管制作具有較好的參考價(jià)值。