龙滩水电工程超大型亚刚体结构伸缩节制造技术.doc

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彭拥兵1、何帆2
(1.中国水电七局机电安装分局，四川彭山 620860；
2.龙滩水电开发有限公司，广西南宁　530023)
摘 要：本文简述了龙滩水电工程压力钢管超大型亚刚体结构型伸缩节的结构型式、结构特点及制造难点，重点介绍了其制造工艺流程和组装、焊接等制作技术及质量控制要点，对焊接变形、焊接线能量、装配间隙等质量控制和焊接工艺参数作了详细的叙述，谨供同行参考。
关键词：亚刚体；焊接变形；装配间隙；焊接工艺；质量控制；伸缩节
1 概 述
龙滩水电站发电机组引水系统压力钢管布置在上平洞、上弯段、斜井段和下平洞，划分为坝内埋管段和明管段，其中1＃～3＃机压力钢管斜井段的大坝与山体相接处设置有功能型φ10000SJTB型双波壳亚刚体结构伸缩节，为明管，以满足水温变幅、气温变幅、内水压力及压力脉动等变化情况下压力钢管在径向和轴向方向上的补偿功能，保证压力钢管的运行安全。伸缩节本体设计与制作由中国水利水电第七工程局（承包人）与长沙东屋公司共同完成。此伸缩节的结构型式设计新型，改过去常用的内外套筒式结构为焊接法兰螺栓联接的双波壳亚刚体结构，在超大型压力引水管道中的应用，国内尚属首次。
2 结构特点
该亚刚体结构伸缩节主要由厚壁件总成和功能件总成两大部件组成，如图1所示，厚壁件总成长1m，由伸缩管、法兰、环板、刚体环、接力环、长环、短环、增高环、压圈等20多个零部件组成；功能件总成由波壳体、波芯体、导流环等部件组成，重约37t。其结构型式为Φ10000SJTB双波壳水封系统的亚刚体伸缩节，波纹管水封系统与橡胶水封系统均能单独满足强度、刚度、稳定性、变形疲劳寿命及封水等设计条件。

其波壳体装置为双层球面波纹密封结构，单层波壳体又分为16张瓦片组成（首台为12.5张瓦片），瓦片厚度为3 mm，装配在厚壁件总成内壁，内层波壳体波谷内装配聚四氟乙烯（F4）波芯体，瓦片分瓣装焊，每瓣装焊完成后，按设计要求填充F4，要求塞填密实，以有效保证整个亚刚体结构的承压性能。龙滩工程亚刚体结构伸缩节为免维护、免检修结构，能适应以伸缩变位为主，兼有适量弯曲和错位的三维变位伸缩节装置。
　　伸缩节外形尺寸为Φ10650mm×1000mm，厚壁件总成材料为WDB620、Q345、0Cr18Ni9Ti三种材质钢板，厚度为δ6mm～δ80mm等八种规格；波壳体和导流环材料为0Cr18Ni9Ti不锈钢，厚度为δ3mm、δ4mm；波芯体材料为聚四氟乙烯类亚刚体材料，组合法兰与压圈节主体通过螺栓组合成整体。伸缩节要求在制造车间进行整体水压试验，波壳体密封性试验1.4 MPa/60min, 波壳体强度试验1.725 MPa/10min。
3 伸缩节主要技术参数
3.1　荷载和伸缩节两端相对位移
最高承水压力　　　　　　　　　1.4MPa
波壳体抗失稳强度 1.4MPa
轴向伸缩量 　　　+ 10mm
厚壁件总成使用寿命 等同压力钢管
波壳密封使用寿命 ≥50年
3.2　温度条件
水温变幅　　　　　　　　　 20℃
气温变幅　　　　　　　　　 20℃
3.3　伸缩节内水流流速及压力脉动频率
额定流量　　 554.52m3／s
相应流速　　　　 m／s
压力脉动频率　　　　 10～50Hz
3.4主要外形尺寸及安装运行条件
内径　　　　　　　　　　 10000mm
理论长度　　　　　　　　 1000mm
最大运行水头　　　　　　 179m
额定运行水头　　　　　　 140m
最小运行水头　　　　　　 97m
4　 伸缩节制造难点

　　（1）尺寸大：伸缩节的内径为10.0 m，单台重量37 t，为世界水电站大型伸缩节。
　　（2）精度高：设计要求伸缩节径向循环补偿量为5.5 mm，刚体环与短环、长环、增高环之间的装配间隙为6.0+30mm，在轴向方向要求短环、长环、增高环之间的装配间隙为8.0mm，φ10650mm的法兰平面度为3.0mm，螺栓紧固后法兰接合面的间隙≤0.5mm，刚体环与长环、增高环半径差在为9mm之内，伸缩管、法兰、短环周长允许偏差+4mm、圆度允许偏差+5mm；波壳体与厚壁件组装间隙≤1.0mm，波壳体纵缝组装间隙≤1.0mm，波壳体纵缝组装错牙≤0.5mm，内外两层波壳体组装间隙1.0～2.0mm，内层波壳体与波芯体塞填间隙≤1.0mm，内外两层波壳体纵缝错开500 mm以上 。完全通过组装、焊接来保证尺寸精度，在非机加工的条件下制造这么大直径的伸缩节，圆度是很难保证，其制造难度是空前的很大。
　　（3）焊接工程量大，焊接变形控制困难：整体结构复杂、部件多、板厚差异大、坡口型式多、焊缝集中、环形部件配合尺寸要求高，加之材质种类多及焊接填充量大，在总长为1m的厚壁件总成上，焊接熔敷金属重量约1000公斤Kg，焊接变形的控制难度极大，焊接变形的控制是整个制造和组装的主要难点。
（4）重量限制、刚度小：因受现场运输、安装时的设备吊装能力限制，本伸缩节部件设计受到重量限制，直径大厚度小各部件的刚性很小（如按圆环直径/圆环高度来计算其长细比，最大值为10160÷112=90.7、最小值为10000÷310=32.3），吊装时极易产生扭曲变形。
（5）伸缩节厂内整体水压试验，试验压力为1.725 MPa，对如此大尺寸的独立管节进行整体水压试验是史无前例的。

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1.带法兰伸缩管2.带法兰伸缩管的法兰3.带法兰伸缩管的短环4.长环5.结构型伸缩管的增高环6.结构型伸缩管的环板7.角位加强板8. 压圈9. 结构型伸缩管10. 定位螺钉11. 定位螺钉12. 连接螺栓13. 密封压板14. 带法兰刚体环的密封端法兰15. 带法兰刚体环的接力环16. 盘根17. 筋板18.定位螺钉19. 带法兰刚体环的法兰20. 带法兰刚体环21. 盘根22. 连接螺栓23. 角位加强板
图1 φ10000SJTB型双波壳亚刚体结构伸缩节结构图

5　伸缩节制造工艺
5.1　组装工艺流程
　　由于伸缩节由套管与波壳体组成，以水流朝下方式进行组圆，其中套管组装顺序：法兰型伸缩管（带法兰伸缩管、角位加强板、法兰、短环的组合体）→（刚体环、筋板、法兰→接力环→长环（A、B两件）→环板→增高环→结构型伸缩管→压圈→密封压环；波壳体组装在伸缩管套管检验合格后进行，组装顺序：第一层波壳体→波芯装置→第二层波壳体。环环相扣，结构紧凑，组装工艺制定时主要考虑整体组装的顺利进行和最终的装配质量。而单个管节的组装质量的控制是制造质量的基础，而管节的周长和圆度的控制是关键，焊接变形的控制是整个管节制造尺寸控制的主要手段。最后制定的工艺流程简化为：法兰型伸缩管组装；带法兰刚体环组装；接力环组装；长环组装；增高环组装；结构型伸缩管组装；压圈组装；密封压环组装；波壳体组装；整体组装等10个主要环节。

5.2　主要制造工艺
5.2.1　瓦片的下料和坡口加工
　　厚壁件总成各部件的下料均采用数控切割机或半自动切割机，对于610MPa钢板，在坡口切割后用Φ180角向磨光机磨去表面渗碳层，直至露出金属光泽。伸缩节各瓦片宽度小，长细比过大，瓦片下料切割受热后极易产生侧弯及扭曲变形，因承压面积小，难以对正，卷制时也易产生扭曲变形，为保证成形后的尺寸精度，采取在同一块钢板上对同一类型的瓦片进行统一下料的工艺，切割时根据板长、板厚等预留8～10个长为30～50mm切割连接点，下料完成后预留点暂不割开，待瓦片整体卷制检验合格后，割开、修磨预留的连接点。下料时应用样冲和油漆做好水流方向、中心线、瓦片编号等标识。
波壳体下料采用手工划线，划线留出不少于3mm的单边加工余量，钢板划线后，用油漆分别标出瓦片编号、水流方向、水平和垂直的中心线，以及切割线等，下料采用等离子切割机精密靠模下料，并用砂轮机打磨去掉全部毛刺及淬硬层。
5.2.2 瓦片的机加工
伸缩节结构件里机械刨边利用12m坡口刨边机加工纵缝、环缝坡口、焊接坡口、凹槽、盘根槽、波壳体焊接坡破口及长度方向的刨边及倒角的加工。
5.2.3　瓦块的卷板与检测
　　伸缩节各构件瓦片均用W11S140-4000水平下调式程控三辊卷板机进行卷板，由于宽度较小，卷制时易出现扭曲，因此卷制前将3张瓦片并排牢固地点焊在一起，以增加总宽度，卷制时用弧度样板检查弧度，质量指标符合DL/T5017-93规范要求；卷制后将瓦片放在卷制平台上以自由状态进行检查卷制后将瓦片放在卷制平台上，在自由状态下检查，如有的瓦片弧度不够或如扭曲，进行修弧处理直至合格。了矫正，对于高强钢材质，采用机械矫形的方法，其它材质有的瓦片弧度不够重新进卷板机卷制，直至满足要求。卷制完成后将点焊在一起的瓦片用割枪割开，打磨平整，部分有凹坑等缺陷，加热后进行了补焊。
波壳体瓦片整体成型利用无压痕软压模整体成型机及预压模预压成型，再用波型样板检查，成型瓦片与波型样板的间隙不超过2mm，瓦片纵向部无局部弯折、表面无压痕和划痕等损伤。
管节的卷板没有出现超出工艺要求的尺寸偏差。
5.2.4　管节组圆与定位焊
厚壁件总成组装包括预组装和正式回装两道工序。
如图1所示，各结构单元分别制作完成后，依次进行预组装。目的是通过预组装，验证各结构单元制作完成后的几何尺寸及平面度、垂直度等质量指标是否能够达到设计要求，满足波壳体、波芯体等功能件总成的装配条件。
预组装检测各项质量指标满足设计及规范要求后，以结构单元为基本单元拆开，装焊件3、件4、件5内壁的不锈钢，并打磨平整。各结构单元分别防腐处理，合格后按预组装时的先后顺序进行回装，验收合格后进入功能件总成装焊工序。
为保证管节组圆和焊接质量，所有伸缩节管节的组圆和焊接均在半封闭车间内的专用混凝土圆心平台上进行。
　　拼装前先在平台上布置组装支墩和调整楔子板，将切割好坡口的瓦块吊入专用平台上进行整体找平、组圆，按内径放大4mm、垂直度≤1mm、接力环与刚体环间的间隙为3mm、短环与刚体环间的间隙为8mm组装，用千斤顶进行调整，留出焊接收缩余量。组装好后，焊接前进行定位焊接，整体加固后焊接，Q345钢焊条均选用大西洋CHE507焊条，WDB620高强钢对接焊缝，选用CHE62CFLH焊条。焊层厚度为4～6mm，长度100mm，间距400mm，为减少焊接收缩，每条焊缝内外侧的厚度方向各焊接一块拉板，拉板内侧弧度与法兰弧度相同，然后测量上管口水平（要求≤3 mm），达到要求后，进行纵缝焊接（注意留出一条纵缝暂不焊接，在内侧焊接拉板固定）。
5.2.5　焊　接
　　伸缩节焊接工程量极大，焊接变形的控制难度大。厚壁件总成中各构件的焊接主要采用手工电弧焊接，焊接设备选用熊谷生产的ZX7-400S型可控硅逆变焊机，角焊缝采用CO2气体保护焊，焊缝返修采用手工电弧焊接，波壳体的焊接采用氩弧焊接。
　　为严格控制焊接变形，均需进行焊前预热和焊后消氢处理。预热温度为100℃～120℃，焊后加热到200℃～230℃、保温2小时后缓冷消氢处理。焊接过程中采用风铲锤击方法进行消应处理。整个环缝采取内外对称、上下对称、分段倒退、多层多道焊接方法，分段长度400～600mm。管节的纵缝焊接顺序根据管节焊接前的弧度实际情况进行现场调整，焊接过程中用样板检查管节的弧度和根据焊接变形情况调整焊接顺序、焊层厚度、焊接电流。在焊缝较集中，焊角较大及较难控制的焊缝部分，调整焊接顺序，先焊环缝、后焊纵缝，并加以两榀高强钢板内支撑，以防止焊接、运输、吊装过程中引起的变形。WDB620高强钢焊接线能量控制在20KJ/cm≤J≤40KJ/cm，同时尽量减少焊条的横向摆动幅度，按国内目前的标准摆动幅度应不大于3倍焊条直径，根据本工程的线能量控制指标，焊条摆动幅度应不大于1.5～2.0倍焊条直径最佳。组合焊缝多为环形封闭焊缝，焊接采用多层、多道、分两段、对称、退步多种方法，并用拉板、挡板、选用小规范等措施控制几何尺寸。正式焊接时8名焊工同时施焊，焊接时严格按预先制定的焊接工艺和等分位置来控制焊接变形，实践证明严格执行工艺使管节的变形得到了很好的控制。在每道焊缝完成后均用风铲进行消应处理，这样既能减少焊接变形又提高了焊缝质量。
5.2.6　波壳体的组装和焊接
　　（1）波壳体的拼装组圆在伸缩节套管检验合格后进行。
（2）瓦片对准划线，其外向波顶贴靠在抗漏环内周，两端贴靠在内套管支持环内径环形切槽内，逐段同向拼装贴靠，并用奥氏体焊条点焊。
　　（3）波壳体瓦片之间的组装纵缝间隙为2.5～1.5mm，只能采用单面焊双面成型技术。波壳体纵缝采用100°单“V”型坡口，采用手工钨极氩弧焊（TIG）封底，关键要调节好焊接电流和气体流量，注意焊接方手法，忌用断弧跳焊法，严格控制焊缝余高，因为第二层波壳体是紧贴在第一层波壳体上，如第一层波壳体的焊缝余高超高，将导致中空现象，影响整个亚刚体结构的承压性能；外层采用手工电弧焊（SMAW）；波壳体与厚壁件属于常规的贴角焊，采用手工电弧焊（SMAW）。TIG焊选用φ1.6mm不锈钢焊丝H0Cr20Ni10Ti，手工焊选用φ3.2mm不锈钢焊条A302。
（4）第一层波壳体瓦片拼装完后，留一段1500mm不进行点焊，以方便装入波芯装置，先焊纵缝、后焊环缝。
　　（5）从瓦片不点焊段开口分块装入波芯装置，并保证每块波芯体断面接触。瓦片开口段贴合好后，进行预留1500mm段的封口焊。
（6）拼装第二层波壳体，两层波壳体之间的间隙控制在2mm之内，在第二层波壳体施焊中，波芯装置通道要通流30℃～35℃的温水，以保证波芯装置不被焊接高温所损伤。波壳体纵缝封底采用氩弧焊，外层采用普通手工焊。
5.2.7　水压试验
（1）1.725 MPa耐压强度试验：先利用专用注水、排气接头用试压泵向伸缩节功能件总成打压注水，当水压达到1.725 MPa，关闭注水阀，开始计时，保压10min，用5倍放大镜，对波壳体表面及其纵缝、环焊缝进行全面仔细的目视循环检查，滴水不漏，无任何水渍和湿痕。
（2）1.4 MPa保压试验：在强度试验的基础上，打开排水阀卸压，将试水压力从1.725MPa下降到1.4MPa，然后关闭排水阀，进行保压。时间为60 min，保压过程中，利用5倍放大镜，全过程对波壳体表面及波壳体纵缝、环缝进行全面目视检查，滴水不漏，无任何水渍和湿痕。
5.2.8 导流环装焊
导流环在功能件水压试验完成后安装，采用手工电弧焊（SMAW）进行焊接，选用φ3.2mm不锈钢焊条A302。导流环安装的高度不能超出伸缩管内壁平面，导流环与厚壁件的组装间隙≤1.0mm，导流环纵缝组装间隙≤1.0mm，导流环纵缝错牙≤0.5mm，导流环与厚壁件贴角焊无裂纹、未熔合、咬边、夹渣、气孔等缺陷，外观质量合格。
5.2.9　防　腐
　　（1）伸缩节各构件制造完成后均先进行防腐工作，伸缩节采用喷砂除锈，除锈清洁度达到级标准，表面粗糙度应达到60～100μm；内外壁喷锌防腐，厚度为120～150μm，喷锌后手工涂刷80～120μm厚环氧富锌封闭层。
　　（2）波壳体环缝焊接处30mm内焊前部防腐，焊后做防腐处理，喷锌加封闭层总厚度不小于200μm。
（3）伸缩管安装环缝两侧各100mm范围内，涂刷不影响焊接性能的坡破口漆。
5.2.10　焊接收缩及预留值
　　（1）纵缝的焊接收缩值根据经验一般在2～3mm，据此内套管瓦块下料时周长放大8 mm作为焊接收缩余量，组圆时以无间隙控制，内套管的焊前周长按设计周长加板厚偏差（△d×2π＋8±3 mm）控制。外套管上由于有4圈法兰，法兰的焊接收缩值没有成熟的经验可参照外套管的焊前周长按设计周长加板厚偏差考虑。
（2）组圆放地样时半径应相应放大3～4 mm。
　　（3）焊接后实际检查短环、长环、增高环和刚体环的配合尺寸在设计值的偏差范围内，伸缩节制造预装前后配合尺寸如表1、2。
表1 伸缩节制造预装前配合尺寸表
零部件名称
周长(mm)
测算平均直径(mm)
与刚体环配合间隙(mm)
短环
32181(-1)
10242
7.5
长环
A
32185(+3)
10244
6
B
32185(+3)
10244
6
增高环
32181(-1下)
10240（下）
8

刚体环
32497（外）
内直径10256（上：）10257（下：+1）

表2 伸缩节制造预装后配合尺寸表
零部件名称
与刚体环实测配合间隙平均值(mm)
短环
8.6
长环
A
7.8
B
7.3
增高环
上：7.4 下：7.8
6 结束语
由于制造过程中对制造工艺、焊接工艺、焊接人员资质、施工过程实际操作能力等进行了严格控制，所以焊缝质量和焊接变形得到了严格控制，所有探伤检查焊缝一次合格率均为100％，在考虑环形件配合间隙的同时应考虑钢板正偏差的影响，波纹管水封和橡胶水封均顺利通过1.725 MPa耐压强度试验，水封橡皮的压缩量为4mm，在槽内的填充量过盈0.1mm，以保证水封不漏水。伸缩节的承压强度、稳定性、密封性及波纹管水压强度密封性证明该波纹管伸缩节结构设计和制造工艺设计合理，使用标准和计算方法正确，其波纹管和伸缩节的工艺结构设计合理，对特大型水电站类似结构伸缩节的设计和制造及其它结构管节的制造和质量控制具有很好的指导意义和有参考价值。
1）伸缩节的下料及卷制，采取在宽度较小的环形件瓦片节间留点的工艺，取得了很好的效果，解决了切割受热变形及卷制扭曲变形的问题。
3） 现场制造因受机加工手段的限制，要通过焊接手段达到机加工的装配条件要求，控制好焊接变形是关键。为此，在严格执行“三检制”的同时，坚持过程质量控制，在圆周上均布60～80个数据监测点，通过采集直径数据点和周长数据，并引入“测算直径”与“测算周长”的概念，对数据点进行分析、对比、控制，以保证相邻环形结构之间的配合间隙，满足总装质量要求。
4） WDB620钢板厚度偏差普遍超出理论厚度+1.5～+2.0mm，在控制刚体环和长环、短环、增高环之间的配合间隙（设计为6～9mm）时，应考虑钢板厚度正偏差的影响，制作时应按设计尺寸加3.0～4.0mm来控制。
5） 伸缩节厚壁件总成各部件板厚差异较大，且多为两种不同材质钢焊接，因此焊前预热和焊后消氢处理必须严格按工艺要求执行。同时，在焊接过程中，对中间层焊道采取风铲锤击消应处理，以有效地减小焊接变形，提高焊缝质量。
6） 根据焊接工艺评定结果显示：无损检测合格的焊缝，如焊接线能量超标，其接头力学性能指标严重不合格。因此，焊接线能量的控制是高强钢焊接质量控制的关键。

参考文献：
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[8] 赵熹华主编.焊接检验，北京：机械工业出版社，1993
作者简介：
彭拥兵（1974—），男，武汉水利电力大学金属结构与焊接专业毕业，现主要从事金属结构施工技术和管理工作。
何帆（1979--），女，助理工程师，从事水电站机电管理

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