陳樹華，黃從兵，邵春兵，韓兆亮，趙進

（江蘇航天水力設(shè)備有限公司，江蘇高郵 225600）

0 引言

水泵轉(zhuǎn)輪室是水泵的重要過流件，在泵站運行中承受著較大的水力沖擊和交變的壓力負荷，易產(chǎn)生汽蝕破壞[1]，直接影響到水泵的效率與正常運行。本文通過對4種不同結(jié)構(gòu)型式和制造工藝的轉(zhuǎn)輪室進行研究和分析，確定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方法，提高轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計制造質(zhì)量，為客戶提供多種選擇方案。

1 結(jié)構(gòu)型式

轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)型式分為兩大類：一類是鑄件，包括碳鋼鑄件+不銹鋼層和整體不銹鋼鑄件，如圖1所示；另一類是焊接結(jié)構(gòu)件，如圖2所示。根據(jù)工藝特點，碳鋼鑄件+不銹鋼層分為碳鋼鑄件基體鑲焊不銹鋼層和堆焊不銹鋼層。

圖1 碳鋼鑄件+鑲（堆）焊不銹鋼轉(zhuǎn)輪室

圖2 不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)輪室

2 設(shè)計控制要點

轉(zhuǎn)輪室根據(jù)用戶需求選擇毛坯種類和結(jié)構(gòu)型式，確定相應(yīng)的設(shè)計方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要保證轉(zhuǎn)輪室剛強度滿足使用要求，同時考慮制造工藝對轉(zhuǎn)輪室質(zhì)量的影響。

1）一般工程用鑄造碳鋼件+不銹鋼層轉(zhuǎn)輪室，基體材料采用ZG270-500，不銹鋼層材料為06Cr19Ni10。由于鑲焊、堆焊不銹鋼層會產(chǎn)生較大的熱輸入，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室變形。因此，要重點加強轉(zhuǎn)輪室基體、分半法蘭、進出水法蘭、筋板等要素的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提高其抗變形能力。

2）整體不銹鋼鑄件轉(zhuǎn)輪室材料一般選用ZG06Cr13 Ni4Mo，剛度、強度設(shè)計滿足使用要求即可，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮鑄造工藝性。

3）不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)輪室一般采用06Cr19Ni10或06Cr13Ni4Mo板材，剛度、強度設(shè)計滿足使用要求外，結(jié)構(gòu)設(shè)計重點考慮熱模壓和焊接工藝性。

4）結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，對轉(zhuǎn)輪室進行有限元分析，驗證其剛度、強度是否滿足要求。

3 制造控制要點

3.1 鑲焊不銹鋼鑄件轉(zhuǎn)輪室

1）鑄坯要求。

鑄件須滿足GB/T 11352-2009 標準要求，鑄件表面不應(yīng)存在影響使用的缺陷[2]。

2）焊前準備。

鑲焊前工藝尺寸的確定，需要考慮鑲焊收縮率，按經(jīng)驗公式（1）計算：

式中：D′為焊前工藝尺寸；D為焊前公稱尺寸；ε為鑲焊收縮率，ε=0.5‰～1.5‰，根據(jù)鑄件質(zhì)量等級選取，材料組織致密、無缺陷或少缺陷的取小值，材料組織疏松、缺陷較多的取大值。

鑲焊板材按工藝要求制作，設(shè)有多個塞焊孔，如圖3所示。

圖3 塞焊孔結(jié)構(gòu)示意圖

3）鑲焊過程。

鑲焊不銹鋼材質(zhì)為06Cr19Ni10，焊接采用氣體保護焊，焊絲選用ER308。

焊接操作注意事項：①裝焊時，每塊不銹鋼板與本體縱向焊縫應(yīng)錯開；②用千斤頂施力，使不銹鋼板緊貼轉(zhuǎn)輪室本體，方可施焊；③焊縫打底時，適當(dāng)提高焊接電流，確保熔深。鑲焊須嚴格按表1執(zhí)行，焊后去應(yīng)力退火處理按表2執(zhí)行。

表1 鑲焊焊接工藝規(guī)范

表2 熱處理規(guī)范

4）機械加工過程。

控制要點：鑲焊后的轉(zhuǎn)輪室金加工前要進行劃檢，檢查各部余量及鑲焊不銹鋼的厚度，確定分瓣面的加工余量。立車加工時，通過校調(diào)，重點保證不銹鋼層厚度均勻性。精車前通過多次拆分，時效處理，釋放應(yīng)力，從而保證轉(zhuǎn)輪室后尺寸和形位精度要求。

3.2 堆焊不銹鋼鑄件轉(zhuǎn)輪室

1）鑄坯要求。

碳鋼鑄件同3.1節(jié)鑄坯要求，鑄造工藝要考慮鑄造自身收縮率，轉(zhuǎn)輪室焊接部位外徑尺寸，還需增加實施堆焊工序引起的收縮量，焊接部位毛坯外徑按2‰～3‰收縮率放大，以確保加工后的壁厚滿足設(shè)計要求。實踐證明，堆焊收縮率與鑄件本體質(zhì)量密不可分，如縮孔、縮松等鑄造缺陷多少、大小等影響較大，鑄件組織較致密的收縮率取較小值，鑄件組織疏松的收縮率取較大值。

2）焊前準備。

轉(zhuǎn)輪室堆焊前粗加工應(yīng)按焊前粗加工工藝圖進行，工藝人員在確定焊前工藝尺寸時，應(yīng)考慮堆焊收縮量，工藝尺寸按經(jīng)驗公式（2）計算。

D′=D×（1+ε）。 （2）

式中：D′為焊前工藝尺寸；D為焊前公稱尺寸；ε為鑲焊收縮率，ε=2‰～3‰，根據(jù)鑄件質(zhì)量等級選取，材料組織致密、無缺陷或少缺陷的取小值，材料組織疏松、缺陷較多的取大值。

焊前須經(jīng)超聲波探傷合格。如不符合要求，要按補焊工藝規(guī)范進行補焊，補焊后需重新進行檢查，直至合格。

3）堆焊過程。

由于埋弧自動堆焊無飛濺和電弧輻射，勞動條件好，堆焊層平整光滑，成分穩(wěn)定，生產(chǎn)率高[3]。轉(zhuǎn)輪室不銹鋼層堆焊選擇埋弧自動焊焊接。

焊接控制要點：

a. 堆焊電源要保證長時間連續(xù)穩(wěn)定工作；

b.變位機能實現(xiàn)水平方向的旋轉(zhuǎn)和垂直方向的翻轉(zhuǎn)；

c. 焊劑選用HJ260，使用前烘干，烘干溫度100 ℃，時長為1 h；

d. 在轉(zhuǎn)輪室一段焊接十字支撐，并用搭塊焊牢；

e. 轉(zhuǎn)輪室在變位機定位裝夾時，應(yīng)保證轉(zhuǎn)輪室與變位機回轉(zhuǎn)中心一致，用劃針檢查確認后方可開始堆焊作業(yè)；

f. 堆焊部位須預(yù)熱至100～150 ℃。

堆焊工藝參數(shù)按表3堆焊工藝規(guī)范執(zhí)行。

表3 堆焊工藝規(guī)范

堆焊結(jié)束后，立即采用石棉材料覆蓋嚴實，緩慢冷卻至室溫。檢查工件各部尺寸及圓度，如不符合要求，須矯正，打好支撐，分半件剖分成兩半。然后進行焊后去應(yīng)力退火處理；焊后去應(yīng)力熱處理按表4熱處理規(guī)范執(zhí)行。

表4 熱處理規(guī)范

去應(yīng)力退火處理后，檢查變形量。如變形量超出規(guī)定值，需再次矯正，并去除應(yīng)力。

4）機械加工過程。

機械加工按機械加工工藝規(guī)程進行。

機械加工注意事項：

a. 轉(zhuǎn)輪室金加工前首先進行劃檢，檢查變形量及各部余量分布情況，重點關(guān)注分瓣面垂直方向的堆焊層厚度及余量大小，根據(jù)劃檢結(jié)果確定分瓣面的加工余量。

b.數(shù)控立車加工時首先檢查各部余量分布情況，通過校調(diào)，保證分瓣面與花盤的垂直度、分瓣面處于直徑方向及不銹鋼堆焊層厚度均勻度。粗加工后檢查確認內(nèi)球各部堆焊層的厚度，同一圓周上實測數(shù)據(jù)不少于8個。若厚度偏差超過±2 mm，需重新矯正，合格后方可繼續(xù)加工。

c.粗車、半精車后，應(yīng)下車拆分，每次時效處理不少于24 h。必要時增加振動時效，通過多次拆分、時效處理，釋放內(nèi)應(yīng)力。

d.精車時應(yīng)注意調(diào)整夾緊力，防止由于夾緊力過大造成轉(zhuǎn)輪室變形。

3.3 整體不銹鋼鑄件轉(zhuǎn)輪室

1）鑄坯要求。

鑄件按JB/T 6405-2018標準執(zhí)行，鑄件表面不得有裂紋、冷隔、氣孔等鑄造缺陷[4]，鑄件須經(jīng)正火、回火處理，熱處理規(guī)范如表5所示。

表5 ZG06Cr13Ni4Mo熱處理規(guī)范[5]

2）機械加工過程。

控制要點：毛坯首先進行劃檢，以分瓣法蘭背面及進出水聯(lián)接法蘭背面為基準，檢查各部余量，劃分瓣面法蘭加工線。按線找正，粗精銑分瓣法蘭面。鉆分瓣法蘭聯(lián)接孔。粗車、半精車各部后，如有缺陷，按補焊規(guī)范進行補焊，然后進行去應(yīng)力處理。精銑分瓣面，組合鉆鉸定位銷孔，最后精車各部至尺寸。過程中需安排拆分，時效處理，釋放應(yīng)力，確保轉(zhuǎn)輪室尺寸和形位精度滿足設(shè)計要求。

3.4 不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)輪室

1）結(jié)構(gòu)件制作。

不銹鋼板材數(shù)控下料，進出水法蘭拼焊成形，筒體分段下料，熱模壓并熱處理，組裝焊接。主要焊縫做UT檢查。

操作注意事項：

a.法蘭拼焊成整圓，拼焊時板面不得錯位，焊前加防變形支撐，拼焊縫需清根焊透，焊后調(diào)平、調(diào)圓；

b.球形板按圖展開分多瓣下料，環(huán)形方向與鋼板壓延方向一致,各瓣四周邊留50 mm配割余量；

c.整體裝配時注意各部件間拼板焊縫需相互錯開＞150 mm；

d.焊接時采用小規(guī)范、多層多道焊接，減少熱輸入，以減小焊接變形；

e.先焊接為整體，再焊縱向拼焊縫，后焊環(huán)形焊縫，環(huán)形焊縫采用十字對稱、分段退焊；

f.坡口焊時不得單側(cè)焊滿再焊另一側(cè)，需交替進行。

焊接規(guī)范如表6所示。

表6 不銹鋼結(jié)構(gòu)件焊接工藝規(guī)范

焊后進行去應(yīng)力退火處理，熱處理規(guī)范如表7所示。

表7 熱處理規(guī)范

2）機械加工過程。

機械加工過程控制參照3.3節(jié)整體不銹鋼鑄件轉(zhuǎn)輪室相關(guān)要求。

4 對比分析

從上述轉(zhuǎn)輪室設(shè)計制造控制過程可以看出，4種轉(zhuǎn)輪室各有特點，都得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)將不同結(jié)構(gòu)型式的轉(zhuǎn)輪室優(yōu)缺點及應(yīng)用案例列表，應(yīng)用案例為筆者所在公司的部分中標項目，如表8所示。

表8 水泵轉(zhuǎn)輪室優(yōu)缺點及應(yīng)用案例一覽表

5 結(jié)語

通過對以上4種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計及制造工藝研究、比較和分析，鑲焊不銹鋼轉(zhuǎn)輪室經(jīng)濟性最好，由于存在脫焊、離殼的可能，目前已基本被堆焊不銹鋼轉(zhuǎn)輪室取代。整體不銹鋼轉(zhuǎn)輪室具有質(zhì)量可靠穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、抗汽蝕性能好、耐腐蝕性高的優(yōu)勢，近年來，泵站應(yīng)用也逐漸增多。焊接結(jié)構(gòu)不銹鋼轉(zhuǎn)輪室在水輪機行業(yè)應(yīng)用居多，由于具備抗汽蝕性能好、外形美觀、制造周期較短等優(yōu)勢，現(xiàn)在水泵行業(yè)的應(yīng)用有后來居上之勢。隨著制造廠的不斷探索和實踐，轉(zhuǎn)輪室制造技術(shù)日趨成熟，可以滿足不同用戶的使用需求。