邝任廷1 廖勤2
1-2中国水利水电第八工程局有限公司机电公司，湖南 长沙410000
摘要：近年来，随着水电站发展，单机组容量越来越大，蜗壳新材料780MPa高强钢随之投入使用，蜗壳材料板厚亦加大。其坡口型式较多且复杂，坡口质量要求较高，拟采用改造的半自动切割机进行坡口切割。对半径较小的蜗壳瓦块采用大型卷板机难以进行压制及卷制成型，蜗壳瓦块成型质量直接影响到蜗壳后期装配质量。为解决蜗壳难以卷制成型的问题，需采用有效的压制工装进行压制成型，满足蜗壳瓦块成型质量。由此780MPa级别钢材的超厚板下料和压制成型技术将为今后国产780MPa级别超厚钢材大批量应用奠定基础，更好地为我国后续高水头机组的流道设计制造提供系统可借鉴的参考资料。
关键字：蜗壳瓦块；超厚板；780MPa；下料；压制；
1 引言
作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，蜗壳材料为SX780CF，单台蜗壳共34节管节，仅单节蜗壳瓦块上的纵缝和环缝存在22种坡口型式，且每小段内坡口为渐变型式，在坡口制备上存在较大难度。蜗壳最小卷板半径为1500mm，最大宽度为2500mm，最大板厚97mm，瓦块长宽尺寸大部分未超过2m。根据公司现有的最大卷板设备140卷板机特性计算（在卷板半径3米和卷板宽度2米情况下，SX780CF材料最大卷板厚度为83mm），且140卷板机两下辊中心调整范围为1100-1560mm（其两辊中心距离已超过部分瓦块的外形尺寸），对此部分蜗壳瓦块无法采用140卷板机进行卷制成型。为满足瓦块下料和压制成型质量要求，拟采用改造的半自动切割机和高强钢压制成型模具进行制造施工。其下料和压制成型成功案例具有较大的推广价值。
2 概况
作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，蜗壳材料为SX780CF，蜗壳材料为SX780CF，材料要求低碳(≤0.09%)、低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹敏感型指数(≤0.25%),但同时又具备780MPa级的高强度和良好的低温冲击韧性。仅单节蜗壳瓦块上的纵缝和环缝存在22种坡口型式，且每小段内坡口为渐变型式，在坡口制备上存在较大难度。单台蜗壳共34节管节，瓦块最小卷板半径为1500mm，最大宽度为2500mm，最大板厚97mm，瓦块长宽尺寸大部分未超过2m。
质量目标：蜗壳下料和压制成型满足白鹤滩精品工程要求。下料质量要求：下料坡口度数公差控制在±2.5°，坡口钝边0—+1mm；压制成型质量满足以下要求：采用1.5米长弧度样板检测，与瓦块之间间隙不得超过1.5mm；瓦块表面不得存在肉眼所见明显压痕，且其深度不得超过0.5mm。而蜗壳高强度SX780CF材料超厚板的渐变坡口下料和压制成型在水电行业并无前期经验可借鉴。
3 背景技术
蜗壳瓦块传统下料方法为由技术人员对瓦块数控编程后采用数控等离子切割机下料，坡口采用传统半自动切割机或自动坡口机进行切割，对于本项目单节蜗壳瓦块上存在22种渐变式坡口的情况，其难以满足质量要求，为此需寻求一种可靠有效的坡口切割方式。
蜗壳瓦块压制采用传统模具装置进行产品压制，由于下模装置与产品接触面不均匀而造成受力不均匀，部分位置容易受压过度，产生较大压痕以致产品成型难以满足要求，且产品受滑动摩擦作用，在产品压制成型过程中，产品与下模装置的滑动摩擦力随着压制过程中变形愈加增大，造成产品表面压痕及划伤过深。对于复杂的渐变的不同的曲面半径产品，其压制模具难以实现压制效果，而且金属结构件由于其特殊的结构，独立的特性，其数量一般较少，其压制模具本身的加工制造成品将超过产品的价值，增加了大量施工成本。为此发明一种简便、易操作、有效的产品压制成型模具装置显得尤为重要，同时可有效的控制制造成本。
4 瓦块下料技术研究
根据设计提供的蜗壳图纸，其蜗壳瓦块上的纵缝和环缝存在22种坡口型式，且每小段内坡口型式均不一样，不同坡口之间要求渐变式的过渡，采用传统坡口切割技术难以满足质量要求。
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图1：蜗壳瓦块下料坡口图
4.1下料工艺
瓦块下料图绘制瓦块数控喷粉下料瓦块坡口划线半自动切割机改造瓦块坡口切割 瓦块坡口切割检查
4.2瓦块下料图绘制
技术人员通过对蜗壳设计图纸进行分解，绘制出蜗壳瓦块下料图纸，并编制瓦块数控下料程序。将坡口型式数字化标识，便于在瓦块实体上进行坡口划线标识，利于下料人员控制质量。
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图2：蜗壳瓦块下料图
4.3瓦块数控喷粉下料
蜗壳钢板吊装至下料平台后，采用等离子数控切割机先喷粉，模拟走刀切割；检查喷粉后尺寸是否合格，合格后进入正式火焰切割下料，下料切割后，做好相关检查记录。
4.4瓦块坡口划线
瓦块下料切割合格后吊装至坡口切割平台；然后根据蜗壳瓦块下料图进行坡口划线，标识清楚、准确，并做好检查记录。
4.5半自动切割机改造
由于一节蜗壳瓦块上存在22种坡口型式，且坡口之间需过渡，造成其坡口制备相当困难，在切割过程中，切割人员需一直调整设备沿着瓦块外缘行走，操作人员不停的操作不可避免的会给瓦块切割造成质量问题，造成瓦块切割质量无法满足要求。需采用特殊工艺及设备进行下料。
单节蜗壳瓦块度数类型较多，瓦块边缘四周断面形状为非标准圆弧形，半自动切割机若采用直线导轨导向，手动调整切割机割嘴纵向移动时，使割嘴难以沿着瓦块切面弧形对应移动，导致坡口大小难以满足要求，且在调整切割机时，由于人员操作易导致产生凹槽及锯齿等切割缺陷。
通过对半自动切割机研究，结合瓦块外形特点，通过构思设计出以下结构，通过在半自动切割上增加导向装置来实现半自动切割机沿着瓦块外缘紧密贴合行走，在行走过程中不需要操作人员来调整，从而实现坡口稳定切割。
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图3：半自动切割机改造图
4.6瓦块坡口切割
瓦块采用数控等离子切割机下料后，再采用改造后的半自动切割机进行瓦块坡口切割，半自动通过导向轮能较好的沿着瓦块外边缘行走，不需要施工人员不停的调整切割机即可实满足切割质量要求。
4.7瓦块坡口切割检查
采用改造后的半自动切割机进行瓦块坡口切割，通过对白鹤滩蜗壳下料及坡口切割检查，下料后坡口度数公差控制在±2.0°以内，坡口钝边0-+1mm，且对瓦块坡口做PT检查，未存在任何表面缺陷。坡口质量满足精品工程要求，且切割质量稳定。
5 压制成型技术研究
针对无法采用卷板机进行卷制成型的蜗壳瓦块采用压制成型的工艺技术，而现有的压制机的压头是固定的，在压制时，容易磨损蜗壳瓦块，难以满足蜗壳瓦块的质量要求。为此，为了解决百万机组蜗壳瓦块压制成型问题，研制一种780Mpa高强钢产品压制成型模具用于瓦块压制。
5.1整体工艺
瓦块滚压线标识压制模具制造装配瓦块压制 瓦块检查
5.2瓦块滚压线标识
根据蜗壳设计图纸进行分解，展开及计算出瓦块的滚压线，根据工艺图纸在蜗壳瓦块上对滚压线进行标识，标识应清晰，准确。
5.3 蜗壳瓦块压制成型装置结构
蜗壳瓦块压制成型模具装置包括用于下压蜗壳瓦块（1）的压模机构（2）以及两个相对设置的用于支撑蜗壳瓦块（1）的撑模机构（3），压模机构（2）位于两个撑模机构（3）的上方，所述撑模机构（3）包括支撑座（31）和下模压头（32），支撑座（31）上向内侧方向延伸设有导向杆（33），下模压头（32）滑设于导向杆（33）上，下模压头（32）和支撑座（31）之间设有弹性垫块（34），导向杆（33）上螺纹连接有螺母（35），所述螺母（35）压紧下模压头（32）设置。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的下模压头（32）的顶面为向侧方向倾斜的支撑弧面（321）。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的支撑座（31）的下方设有支撑底板（4），两个所述撑模机构（3）的支撑座（31）均固定在支撑底板（4）上。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的压模机构（2）包括液压油缸（21）、安装架（22）和上模压头（23），所述上模压头（23）通过安装架（22）安装于液压油缸（21）的底部。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的上模压头（23）的底面为向下凸出的压模弧面（231）。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的液压油缸（21）、安装架（22）和上模压头（23）依次通过安装螺栓（5）固定连接。
用于蜗壳瓦块的压制成型模具装置的液压油缸（21）设有多个，多个液压油缸（21）沿着下模压头（32）的长度方向均匀间隔布置，所述上模压头（23）和下模压头（32）平行设置。
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图4：蜗壳瓦块压制成型模具装置
图纸说明：1、蜗壳瓦块；2、压模机构；21、液压油缸；22、安装架；23、上模压头；231、压模弧面；3、撑模机构；31、支撑座；32、下模压头；321、支撑弧面；33、导向杆；34、弹性垫块；35、螺母；4、支撑底板；5、安装螺栓；6、连接板。
5.4 蜗壳瓦块压制成型装置工作说明
压制成型模具组装完成后，将压制成型模具吊装至3000吨压力机上进行安装固定，其次便可进行蜗壳瓦块的压制工作。
根据瓦块压制半径的大小，通过调整下模的螺栓，达到调整左下模和右下模之间的间距，从而实现瓦块压制半径的变化。将瓦块吊装放置在模具上，并调整瓦块的滚压线对准模具的中心线，通过3000吨液压压力机施加压力进行压制成型，在压制过程中采用1.5米弧度样板尺进行检测，边压制边检测随时调整压制力度，从而实现瓦块压制成型。具体压制过程如下：
使用时，蜗壳瓦块1跨设在两个下模压头32上，压模机构2再下压蜗壳瓦块1成型，由于下模压头32和支撑座31之间设有弹性垫块34，压模机构2在下压蜗壳瓦块1的过程中，下模压头32能够沿着导向杆33移动挤压弹性垫块34，即弹性垫块34对下模压头32与蜗壳瓦块1之间的接触具有缓冲作用，可以防止蜗壳瓦块1在压制成型过程中由于突然受液压冲击力而造成较大压痕，提高了产品的质量，同时，操作方便。
下模压头32的顶面为向侧方向倾斜的支撑弧面321。支撑弧面321为R1000mm圆弧面，表面粗糙度为1.6μm，支撑弧面321的延伸面与两个撑模机构3的中垂线之间的交点为该支撑弧面321所在整圆周面的最底位，且支撑弧面321与支撑弧面321最终成型的外弧面的弧度一致，可以有效的减少产品（蜗壳瓦块1）在压制过程中的摩擦以免损坏母材，同时，使得产品的压制位具有可视性。
支撑座31的下方设有支撑底板4，两个撑模机构3的支撑座31均固定在支撑底板4上，使得两个撑模机构3连接成一个整体，提高该压制成型模具装置整体结构的稳定性。具体地，导向杆33为螺纹杆，支撑座31沿其长度方向均匀间隔穿设有多个螺纹杆，弹性垫块34由支撑座31的内侧套于各螺纹杆上，下模压头32再套于各螺纹杆上并压于弹性垫块34，各螺纹杆的两端均设有至一个螺母35，螺纹杆两端的螺母35相向挤压以夹紧支撑座31、弹性垫块34和下模压头32，其中，夹紧支撑座31、弹性垫块34和下模压头32上开设的用于螺纹杆穿过的通孔的直径均大于螺纹杆的外径。
压模机构2包括液压油缸21、安装架22和上模压头23，上模压头23通过安装架22安装于液压油缸21的底部。具体地，安装架22为横面呈T形的T形板，T形板的顶板通过安装螺栓5与液压油缸21固定连接，上模压头23通过安装螺栓5和连接板6固定于T形板的底部，固定牢靠，拆装方便。
上模压头23的底面为向下凸出的压模弧面231，压模弧面231也与支撑弧面321最终成型的外弧面的弧度一致，表面粗糙度为1.6μm，使得上模压头23具有较宽的工作面，加大了与蜗壳瓦块1的接触面，使产品受力均匀，可有效防止产品压痕的产生。
液压油缸21设有多个，多个液压油缸21沿着下模压头32的长度方向均匀间隔布置，上模压头23和下模压头32平行设置。
支撑座31与支撑底板4焊接连接，而支撑底板4焊接固定在3000吨压力机平台上，蜗壳瓦块1的材质为SX780CF。具体操作如下：
在蜗壳瓦块1压制前，先对蜗壳瓦块1结构型式进行分析（压制半径和瓦块尺寸），根据构件结构型式选择上模压头23和下模压头32的材料，根据蜗壳瓦块1压制半径调整撑模机构3的两个下模压头32之间的距离，然后将蜗壳瓦块1吊装至该压制成型模具装置上进行压制，使上模压头23的工作面与蜗壳瓦块1滚压线对齐，液压油缸21驱动上模压头23压于蜗壳瓦块对产品进行压制。采用该压制成型模具装置压制蜗壳瓦块1成型后表面较好、无肉眼所见明显划伤及压痕。该压制成型模具装置的结构简单、操作方便、可大大缩短施工周期和降低施工成本。
5.5 压制质量检查
通过对白鹤滩蜗壳压制成型检查，瓦块采用此模具进行压制成型后，其成型尺寸及弧度均满足白鹤滩蜗壳制造精品工程要求，其1.5长弧度样板与瓦块之间间隙不超过0.5mm，无肉眼所见明显压痕，触摸压痕深度不超过0.2mm，且未出现摩擦损坏母材表面的情况。
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图5：蜗壳瓦块压制成型质量检查
5 结束语
白鹤滩蜗壳现现已全部交货完成，其蜗壳下料和压制质量全部达到优良，实现了白鹤滩水电站水轮机埋件制造精品工程要求，得到三峡业主、东方电机集团及哈电集团等单位的众多好评，同时为国产780MPa级高压蜗壳及钢岔管制造技术应用和推广提供理论和实践经验，其制造焊接工艺具有较高的实际应用价值，经济效益和社会效益明显，具有广阔的推广前景。