高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环焊接制造技术应用研究.docx

? ? 高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环焊接制造技术应用研究 ? ? 王能庆，范 潇，冯 涛，林 松 （东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 618000） 0 引言 抽水蓄能机组具有启停迅速，调节灵活的特点，承担着电网的调峰填谷、调频作用，对电力系统消纳清洁能源、提升新能源利用水平、保障电力系统有序供应具有重要的意义和经济效益，因此，抽水蓄能电站发展迅猛[1，2]。 随着抽水蓄能机组水头不断增高，容量不断增大，特别是以长龙山为代表的抽水蓄能机组，最大水头达756m，为保证机组高性能要求和轻量化结构设计要求，将大量使用新材料、新结构，增加了抽水蓄能机组的制造难度。蜗壳座环作为引水关键部件和机组的基础部件，承载整个机组及其上部混凝土的重量和水泵水轮机水推力[3]，因此，蜗壳座环的制造质量对机组的安全稳定运行起着重要的作用。 本文通过对高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环制造工艺进行应用研究，形成了一套高水头抽水蓄能机组蜗壳座环关键制造工艺方案和制造技术，提高了蜗壳座环制造质量，降低了蜗壳座环制造成本，缩短了蜗壳座环生产制造周期。 1 蜗壳座环分瓣工艺结构设计原则 高水头抽水蓄能机组蜗壳座环外形尺寸大，为了运输方便，通常采用厂内分瓣制造与工地组焊相结合的方式进行制造。蜗壳座环分瓣工艺结构设计，一般遵循以下原则： （1）在满足运输尺寸的情况下，分瓣数量尽可能少。 （2）由于高水头抽水蓄能机组运行时，蜗壳承受复杂交变应力，工地分瓣面组合焊缝无法进行去应力热处理，为降低分瓣面焊缝焊接残余应力对机组安全稳定运行影响，分瓣面应设置在应力相对较小截面上，同时应考虑便于工地施工。 （3）为保证蜗壳座环尺寸，并降低工地焊接时合拢焊缝焊接残余应力的影响，在分瓣面部位应设置凑合节。 （4）蜗壳与座环环板焊接部位是蜗壳座环受力最大部位之一[3]，因此，蜗壳座环工艺结构设计时，分瓣面部位凑合节与座环环板之间应设置过渡板，且过渡板在工厂内焊接并参与蜗壳整体退火处理，以降低焊接残余应力对机组安全稳定运行影响。 根据上述工艺结构设计原则，随着运输条件的改善，高水头抽水蓄能机组蜗壳座环一般设计为两瓣，图1为典型的两瓣式蜗壳座环结构示意图，其中，除凑合节在工地挂装焊接外，其余都在工厂内进行焊接，并进行整体去应力退火。 图1 抽水蓄能机组两瓣结构蜗壳座环结构示意图Figure 1 Schematic of two split parts spiral case and stay ring for pumped storage unit 2 两瓣式蜗壳座环焊接制造重难点分析 2.1 两瓣式蜗壳座环尺寸控制 2.1.1 蜗壳成型尺寸控制 高水头抽水蓄能机组蜗壳一般采用780CF高强钢，在同等强度条件下，相比610CF高强钢板，可有效降低蜗壳重量和焊接熔敷金属量。但高水头抽水蓄能机组蜗壳尺寸小，成型半径小，成型难度大。如何保证小尺寸蜗壳成型尺寸是制造的难点之一。 2.1.2 座环焊接尺寸控制 高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环，座环上、下环板间距尺寸小，尺寸公差严格，同时，固定导叶与上、下环板焊接量大，焊接变形控制难度大；两瓣座环工厂内单独制造，分瓣固定导叶装配误差及焊接变形累积，导致分瓣固定导叶在组圆后，错口控制难度增加；两瓣蜗壳座环厂内单独制造，由于成型、装配及焊接变形等综合影响，分瓣面处过渡板错口尺寸控制难度增大。 2.2 尾部蜗壳窄小空间焊接制造 随着抽水蓄能机组水头不断增高，上下环板间距越来越小，最小尺寸已小于300mm，蜗壳尾部最小半径已小于250mm，因此，蜗壳尾部空间结构非常狭窄。如何保证蜗壳尾部窄小结构空间焊接工艺性是一个必须解决的问题。 2.3 两瓣式蜗壳座环焊接质量控制 高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环大量采用低合金调质高强钢，以满足机组性能设计要求，并达到轻量化结构设计、降低制造成本、缩短制造周期的目的。两瓣式蜗壳座环中，蜗壳（包括凑合节及过渡板）材料为780CF高强钢板卷制而成，工厂内蜗壳与座环装焊后进行去应力退火。 780CF低合金调质高强钢，焊接过程中冷却速度过快、接头拘束度较大的情况下，极易产生冷裂纹；焊接热影响区奥氏体晶粒粗化以及脆性混合组织形成，易造成热影响区脆化和软化；780CF低合金高强钢热处理后会导致接头韧性劣化现象[4]；因此，780CF高强钢焊接质量控制是高水头抽水蓄能机组两瓣式蜗壳座环制造难点。 3 两瓣式蜗壳座环焊接制造技术 3.1 780CF高强钢蜗壳成型技术 高水头抽水蓄能机组蜗壳采用780CF高强钢，蜗壳尺寸小（半径一般在250～1000mm之间），蜗壳成型曲率大，回弹量大，成型后不允许火焰矫形，进水口段蜗壳宽度宽，达到3000mm，蜗壳成型难度大。为确保蜗壳成型尺寸精度，采取的主要控制措施如下： （1）成型