Изготовление сварных кольцевых деталей
Типовое конструктивное исполнение кольцевых деталей радиальных направляющих аппаратов видно из рис. 9.1, а их габаритные размеры и масса приведены в табл. 9.1. Кольцевые детали средних и крупных гидротурбин состоят из четного количества частей. Количество секторов устанавливается из условий транспортирования по железной дороге и технологических соображений. Лишь для высоконапорных турбин с рабочим колесом менее 3000 мм эти детали удается выполнить целыми.
Трудоемкость изготовления сварных деталей в первую очередь определяется массой наплавленного металла, которая зависит от толщины отдельных элементов и катетов сварных швов. Как показывает опыт, при применении сварки в среде углекислого газа удельный объем наплавленного металла для низконапорных поворотно-лопастных турбин не должен превышать 3, для крупных высоконапорных радиально-осевых турбин — 5% массы детали.
Одной из трудоемких и сложных операций является удаление корня шва К- и X-образного типов. При большой толщине свариваемых листов одновременно увеличивается и объем сварочных работ. В связи с этим более технологичными следует считать разнесенные сварные швы с конструктивным непроваром, как минимум, 10 мм. К числу требований к конструкции сварных кольцевых деталей следует также отнести доступность их для проверки качества швов неразрушающими методами контроля.
Кроме того, к технологическому процессу изготовления кольцевых деталей предъявляют следующие требования: 1) высокая точность диаметральных и высотных размеров; 2) минимальный винтовой перекос; 3) минимальное отклонение по шагу и радиусу положения элементов, связанных с установкой подшипников лопаток.
Указанные погрешности определяют припуски на механическую обработку и толщины отдельных элементов сварной конструкции. Увеличение припусков приведет к неоправданному росту расхода листового проката и объема наплавленного металла, а следовательно, к повышению трудоемкости изготовления и стоимости деталей. В настоящее время припуски, принятые в объединении ЛМЗ, составляют, мм: на стыковых фланцах секторов и половин колец — 10—20; на верхних и нижних плоскостях — 8—15; на цилиндрических поверхностях (на сторону) — 10—15; в стаканах под подшипники лопаток (на сторону) — 12—20.
Как показали исследования, проведенные кафедрой сварки Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина, такие припуски являются рациональными и даже могут быть несколько уменьшены. Основными условиями для этого являются вырезка отдельных заготовок с точностью ± (1÷2,5) мм и применение технологии сварки, обеспечивающей минимальные деформации деталей. Современное газорезательное оборудование для машинной резки заготовок обеспечивает требуемую точность. При ручной резке по разметке отклонения зависят от толщины листов и, как минимум, в два раза больше указанных.
Технологические приемы для предотвращения деформаций при сварке зависят от жесткости формы детали. Сварку крышки турбины производят, ограничиваясь задаваемой процессом определенной последовательностью наложения швов. Собранные на прихватках элементы сварной крышки (рабочий момент этого процесса дан на рис. 9.9) будут выполнять роль жестких связей, препятствующих искажению формы детали. Нижнее и регулирующее кольца обладают недостаточной жесткостью для применения такой технологии. С целью уменьшения деформаций секторы нижнего кольца перед сваркой соединяются попарно и скрепляются планками, жесткими связями и прихватками. Также зеркально соединяются между собой половины регулирующего кольца. Дополнительно концы полуколец фиксируются с помощью мощных жестких связей, устанавливаемых на плоскости разъема. Для сварки верхнего кольца в зависимости от соотношения его размеров может быть применен 1-й или 2-й вариант процесса. Ниже дана технологическая последовательность изготовления сварных кольцевых деталей применительно к нижнему кольцу направляющего аппарата (рис. 9.10).
Рис. 9.9. Сварка крышки крупной радиально-осевой турбины.
Рис. 9.10. Нижнее кольцо направляющего аппарата.
Изготовление верхнего листа 1, состоящего из частей, складывается из следующих основных операций: а) вырезка частей листа по разметке, с припуском (газовая резка природным газом или ацетилено-кислородной смесью); б) снятие фасок и очистка от грата; в) сборка частей листа на плите по плазу и соединение на прихватках; г) сварка с двух сторон с поворотом на 180° и удалением корня шва; д) снятие усилений швов; е) правка листа под прессом (контроль отклонений от плоскостности осуществляется по плите и контрольной линейкой); ж) разметка листа под обработку отверстий под стаканы 3; з) вырезка отверстий с припуском 10 мм на сторону; и) обработка отверстий в размер по чертежу с допуском +2 мм на расточном станке; к) ультразвуковая дефектоскопия 100% стыкового шва. Изготовление ребер 5,7 и 8 и других плоских элементов из углеродистой стали ограничивается операцией «б».
Изготовление в случае необходимости листов плоских облицовок из нержавеющей стали ведется со следующими изменениями приведенного процесса: а) вырезка частей листа с припуском осуществляется газо-флюсовой резкой или ножницами; б) заданный чертежом контур заготовок, а также фаски под сварку получаются механической обработкой; в) сварка частей листа из стали 08X13 выполняется электродами ЭФ-Х13 с последующей термической обработкой — отпуском для снятия напряжений и правкой.
Изготовление цилиндрической обечайки 2 состоит из вырезки плоской развертки заготовки, нанесения на ней линий гиба и гибки на листогибочных вальцах. Проверка формы и радиального размера обечайки производится с помощью шаблона, а отсутствие винтового перекоса — по зазорам между ее торцом и плитой. После этого по разметке производится отрезка припусков по контуру и снятие фасок под сварку. Если на кольцевой детали устанавливается защитная облицовка из стали 08X13, то перед гибкой ее листы подвергаются термической обработке — отпуску для снятия напряжений.
Изготовление фасонного листа 4 включает: а) вырезку плоской развертки заготовки по шаблону (в связи с тем, что фасонный лист не разворачивается на плоскость без пластических деформаций, форма и размеры его развертки уточняются при штамповке головного образца изделия); б) холодную штамповку заготовки под прессом с применением специальной штамповой оснастки; в) термическую обработку — отпуск для снятия напряжений; г) контрольную разметку; д) удаление резкой излишних припусков и снятие фасок под сварку.
Для изготовления стаканов 3 лучше всего применять толстостенные трубы большого диаметра (по ГОСТ 8732—70). Приемлемость такого решения определяется нормой заказа проката не менее 50 т в год. Стаканы можно изготовить из кованых заготовок с большим объемом механической обработки. Изготовление стаканов сварными из листового проката связано со значительными трудностями гибки толстостенных (40—70 мм) полуколец в штампе при небольшом радиусе гиба (125—220 мм). При этом также увеличивается норма расхода материала и трудоемкость работ при изготовлении заготовки стаканов и их механической обработке. Оба торца стакана подвергаются механической обработке, причем со стороны сопряжения с верхним листом должны быть выполнены заточка по цилиндру и круговая фаска под сварку.
Сборка под сварку секторов нижнего кольца осуществляется в последовательности, приведенной в табл. 9.3. Установка заготовок при этом проводится в соответствии с плазом, вычерченным на сборочной плите. В процессе сборки взаимное расположение отдельных заготовок закрепляется прихватками. Перед кантовкой для установки фасонных листов 4 выполняется усиление всех швов-прихваток во избежание деформаций узла. После установки и закрепления фасонных листов размеры сектора и наличие припусков на механическую обработку проверяются на разметной плите. Соединенные попарно сектора передаются на участок сварки.
| Операция | Эскиз |
| 1. Вычертить плаз на сборочных плитах | — |
| 2. Установить верхний лист 1 по плазу и закрепить к плите |  |
| 3. Установить обечайку 2 и закрепить прихватками к листу 1 |  |
| 4. По рискам разметки поставить и прихватить электросваркой к листу стаканы подшипников |  |
| 5. Установить и прихватить донышки 6 и ребра 5,7,8 и соединяющие стаканы между собой |  |
| 6. Выверить по плазу и прихватить к листу 1 и обечайке 2 стыковые фланцы сектора |  |
| 7. Снять крепление сектора к плите, перекантовать сектор на 180° и установить и прихватить фасонный лист 4 |  |
| 8. Проконтролировать сборку сектора на разметной плите | — |
| 9. Соединить два сектора, установить и приварить жесткие связи |  |
Сварка секторов проводится попеременно при наложении швов в обратно-ступенчатом порядке с общим направлением от середины к краям детали. В основном применяется полуавтоматическая сварка в среде углекислого газа. Лишь швы, к которым предъявляются особые требования, и последние проходы заполнения разделок выполняются ручной дуговой сваркой электродами марки УОНИ 13/45. В последнем случае это необходимо для улучшения внешнего вида сварных швов.
После сварки спаренные секторы без разделения на части подвергаются термической обработке — отпуску при температуре 630 + 10° С. Удаление окалины (дробеструйными установками), очистка поверхностей от брызг и остатков от приварки планок и жестких связей производятся для каждого сектора отдельно. Одновременно зачищаются поверхности швов и околошовных зон для контроля УЗД или другими неразрушающими методами, а также выполняется наплавка обнаруженных выхватов и подрезов.
Контроль качества швов осуществляется в соответствии с заданной чертежом группой контроля методами и в объеме, предусмотренном действующей на заводе инструкцией. I группа контроля предусматривает проверку неразрушающими методами 25—100% протяженности швов, II группа — 10—25%; III группа предусматривает лишь внешний осмотр швов. Контрольная проверка на разметной плите формы и размеров детали и припусков на механическую обработку завершает изготовление сварной конструкции.
Если для защиты верхнего листа от износа применяется облицовка из нержавеющей стали 08X13, то ее установка производится после предварительной механической обработки нижнего кольца. В процессе установки необходимо обеспечить прижатие облицовки к защищаемой поверхности. Сварные швы по контуру листов и электрозаклепки выполняются электродами марки ЭА-395/9 без последующей термической обработки. Сварку производят, не допуская нагрева околошовных зон выше 100° С.
Изготовление сварных конструкций крышки турбины и верхнего кольца направляющего аппарата имеет следующие особенности.
1. Изготовление конических элементов, если угол конусности не превышает 7°, осуществляют на вальцах или под прессом (по условиям производства). Если угол конусности превышает 7°, то гибку выполняют под прессом с использованием наиболее подходящей из имеющихся матрицы и листовых подкладок. Технологический контроль состоит в совмещении рисок линий гиба и продольной оси бойка пресса. Контроль формы и размеров осуществляют плоскими шаблонами крайних сечений и проверкой по плазу на контрольной плите у пресса.
2. Для обеспечения нормальных условий труда, особенно при изготовлении турбин средних и малых размеров, сборку и сварку узла производят без верхнего листа (см. рис. 9.9). Последний устанавливают и приваривают после окончания сварочных работ во внутренней полости. Сварные швы по контуру листа выполняются односторонними, доступными для сварки снаружи. Внутренними оставляют только швы соединения верхнего листа с ребрами.
3. Установку и приварку кольцевых фланцев на отверстиях под стаканы подшипников осуществляют по разметке после окончания сварки сектора кольца. Аналогичную технологию применяют по отношению к другим подобным элементам.
4. Все элементы из нержавеющих сталей приваривают после окончательной термической обработки сварной заготовки.
5. Установку и приварку защитных цилиндрических обечаек из нержавеющей стали проводят после предварительной механической обработки детали по технологии, аналогичной приведенной для плоских листов.