大型球閥制造技術(shù)研究及應(yīng)用

虞圣群，王龍

（浙江綠洲制冷設(shè)備有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

球閥是抽水蓄能機(jī)組及高水頭電站的重要構(gòu)成部分，制作工藝復(fù)雜、專業(yè)性強(qiáng)，為保證球閥制作質(zhì)量，為其作用的充分發(fā)揮奠定基礎(chǔ)，需要技術(shù)人員認(rèn)真分析球閥應(yīng)用要求，把握各制造環(huán)節(jié)質(zhì)量及參數(shù)。

1 大型球閥制造整體分析

（1）球閥結(jié)構(gòu)。球閥由閥體、活門兩重要部分構(gòu)成，采用整體式鋼板成型焊接結(jié)構(gòu)，其中閥體分為兩個(gè)部分，活門裝入后進(jìn)行焊接，因此，焊接完成后無法拆卸。

（2）技術(shù)難點(diǎn)。抽水蓄能機(jī)組對球閥各項(xiàng)性能要求較高，要求故障發(fā)生率低、性能穩(wěn)定、密封優(yōu)良、耐高壓性能良好等。本文制作的球閥焊接量大、焊接接頭多、尺寸規(guī)格大，因此，保證焊接質(zhì)量與精度難度非常大。焊接過程中應(yīng)認(rèn)真做好以下內(nèi)容：嚴(yán)格控制球殼的壓制成型精度；球閥裝配尺寸應(yīng)精準(zhǔn)；嚴(yán)格控制焊接變形情況。

2 大型球閥構(gòu)件質(zhì)量及參數(shù)的控制

2.1 球殼成型質(zhì)量控制

為保證球殼成型質(zhì)量應(yīng)注重球殼分瓣、球殼成型、單瓣整體模壓成型及點(diǎn)壓成型等操作。（1）球殼分瓣。一方面，保證焊縫分布的合理性。為避免閥體經(jīng)向圓弧長度變小，引起殼體變形、翹曲，應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)縫。同時(shí)，為防止接頭部位應(yīng)力集中，出現(xiàn)焊接缺陷焊，應(yīng)防止焊成“丁”字接頭。另一方面，嚴(yán)格控制分瓣大小。當(dāng)分瓣較小，會(huì)大大增加焊接勞動(dòng)量，且出現(xiàn)不良接頭的機(jī)率較高。如分瓣較大對成型壓力、喉高以及柱距要求較大，應(yīng)用的鋼板規(guī)格大，增加投入成本。究竟如何分瓣需在認(rèn)真分析閥體的情況下決定。（2）球殼成型。該球閥殼體單瓣具有較大的展開尺寸，規(guī)格參數(shù)為：90mm×2600mm×3700mm，因此，為保證成型質(zhì)量及精度滿足要求，選擇工藝時(shí)應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性以及應(yīng)用設(shè)備的能力。（3）單瓣整體模壓成型。采用單瓣整體模壓成型，成型精度有保證，但需應(yīng)用大尺寸模具以及滿足要求的設(shè)備。然而成型較大規(guī)格的球殼，需投入大量資金，而且磨具的通用性差。確定設(shè)備能力是否滿足需要時(shí)，可借助專業(yè)公式進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，綜合分析得知，冷壓成型、熱壓成型均需投入較大成本。（4）點(diǎn)壓成型。采用點(diǎn)壓成型經(jīng)濟(jì)性良好，可很好的克服整體模壓成型的缺點(diǎn)，即點(diǎn)壓成型主要應(yīng)用小尺寸磨具，通過移動(dòng)方式完成局部的成型，最終完成整個(gè)成型作業(yè)。但該種成型方式對精度控制的水平要求較高，即，針對同一點(diǎn)需多次漸進(jìn)成型，才能達(dá)到圖紙尺寸要求。另外，考慮到成型工件局部因受壓會(huì)發(fā)生變薄現(xiàn)象，因此，應(yīng)適當(dāng)提高殼體厚度，并考慮使用大噸位油壓機(jī)，并適當(dāng)增加上、下壓模的直徑。

2.2 裝配尺寸精度控制

控制裝配尺寸精度時(shí)做好活門與閥體精度的控制尤為關(guān)鍵。其中活門裝配時(shí)上、下游固定密封環(huán)把合面尺寸、閥座位置尺寸精度的控制尤為關(guān)鍵。把合面軸線垂直于閥軸軸線且經(jīng)過球閥中心，如出現(xiàn)較大偏差，不僅造成該面外圓和平面無加工量，而且把合面的中心處于柱面上，借助鉚工劃線裝備控制形位公差的難度較大，因此，考慮到數(shù)控機(jī)床具有高精度定位功能，粗加工活門閥軸時(shí)可將該面的裝配基準(zhǔn)加工出來，而后進(jìn)行二次裝焊。

閥體為空間球面，檢測裝配尺寸的難度較大，為控制裝配精度可考慮依據(jù)其軸截面制作平面圓弧立體裝配樣板，將樣板至工件的間距設(shè)置好，裝配過程中對間距進(jìn)行檢測，以控制裝配精度。另外，殼體為對稱兩半，裝配時(shí)為保證精度還可采取以下措施：一方面，做好分半合縫面錯(cuò)口的控制。另一方面，殼體焊后再進(jìn)行閥座的裝焊。同時(shí)，坡口裝配加工時(shí)應(yīng)確保圓心投影處在殼體分半面圓心上，確保兩閥座軸線經(jīng)過殼體球心，并垂直于球閥的上、下游法蘭軸線，防止活門發(fā)生偏心現(xiàn)象。除此之外，考慮到緯向焊縫會(huì)發(fā)生縱向與橫向兩個(gè)方向上的收縮，導(dǎo)致閥體半徑變小，因此，應(yīng)綜合分析球殼的坡口間隙、板厚、直徑預(yù)計(jì)收縮量，并做好焊接反變形量預(yù)設(shè)工作。

2.3 焊接變形質(zhì)量控制

控制焊接變形時(shí)，應(yīng)做好閥體、球閥阻焊變形的控制。一方面，控制閥體變形可采取的措施有：應(yīng)用氣體保護(hù)焊，其能量集中，焊接效率高，可有效防止焊接變形；注重焊接工序的優(yōu)化，即，采用分段、對稱退步焊方式，保證焊接順序的合理性，確保對稱位置具有相同的焊接增長量；將分瓣對接坡口設(shè)計(jì)成非對稱雙V型，并將內(nèi)外厚度比例控制在合理水平。另一方面，球閥阻焊時(shí)考慮到閥體橫向無拘束，焊接時(shí)收縮自由，容易導(dǎo)致閥體閥座和閥座擠壓。為防止這一情況的發(fā)生，可采取以下控制措施：在跨分半環(huán)縫位置通過增加工藝固定塊，對環(huán)縫進(jìn)行控制；確定合理的焊接反變形量。

3 大型球閥的加工及裝配

3.1 閥體的加工

閥體采用鋼板點(diǎn)壓阻焊結(jié)構(gòu)，形狀不規(guī)則，因此，為保證裝配質(zhì)量，加工閥體時(shí)應(yīng)注重以下內(nèi)容的落實(shí)：一方面在閥體分半面外側(cè)焊L型工藝定位塊，交錯(cuò)施焊長短工藝定位塊。該過程和閥體鈍邊止口的加工同步進(jìn)行。另一方面，在閥體軸孔和活門軸間安裝工藝定位鋼套，實(shí)現(xiàn)對組圓期間活門位置的固定，防止退火后球閥變形。同時(shí)，加工完成后結(jié)合具體加工尺寸配車定位鋼套，并將配車間隙控制在合理水平，不能太大。

3.2 組裝與阻焊

將工藝定位鋼套安裝在一半閥體之上，將閥體軸端調(diào)整至向下，借助千斤頂頂起后加以固定。而后進(jìn)行活門的吊裝，將一端軸插入到閥體的軸孔之中，將活門高度參數(shù)調(diào)整至設(shè)計(jì)要求。活門調(diào)整至全關(guān)位置后，在密封面位置焊L型固定塊，保證閥體與活門牢固固定。同時(shí)，依據(jù)閥體外側(cè)工藝定位塊和鈍邊止口，完成另一半閥體的安裝。

3.3 球閥整體的加工

對閥體進(jìn)行整體阻焊后，退火操作應(yīng)整體進(jìn)行。退化后應(yīng)一起加工活門和閥體，確?；铋T同軸度。

3.4 軸閥與活門軸的加工

該球閥活門軸間的同軸度加工要求較高，考慮到閥體為一個(gè)整體不能拆卸，因此，加工時(shí)需一次滿足設(shè)計(jì)要求。為確保加工質(zhì)量，所有加工面的基準(zhǔn)應(yīng)統(tǒng)一。實(shí)際加工中可在閥體上、下游外側(cè)設(shè)置合適數(shù)量的工藝塊，認(rèn)真測量后，確定閥體和活門的中心位置，將此中心作為基準(zhǔn)，并在立車上將工藝塊車修一個(gè)基準(zhǔn)平面，以后的加工都依據(jù)該基準(zhǔn)平面進(jìn)行加工、找正。

另外，因活門軸和軸孔間擁有800mm深的單邊間隙，一般刀具加工質(zhì)量無法保證，因此，可設(shè)計(jì)專用工具在數(shù)控鏜床上完成加工作業(yè)。同時(shí)，為防止加工期間刀架出現(xiàn)發(fā)顫情況，可使用板筋對刀架進(jìn)行加固處理。另外，受自身重量影響，應(yīng)用套筒刀架加工時(shí)應(yīng)避免搭頭情況的發(fā)生，即，加工作業(yè)時(shí)工作臺(tái)與刀架分別做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，便可較好的避免搭頭。

3.5 球閥的裝配

因球閥屬于高水頭球閥，承受的壓力較大，而且密封要求較高，裝配時(shí)除保證密封性能外，應(yīng)保證各部件按照合理順序裝配到位。球閥裝配時(shí)應(yīng)注重軸端與主密封面的裝配。

一方面，軸端裝配。裝配軸端時(shí)做好密封工作尤為重要，裝配時(shí)可在軸頭位置設(shè)置銅瓦與活門軸套，并在閥體軸孔接觸面和銅瓦外側(cè)設(shè)置兩道O型密封，外側(cè)和活門軸套接觸位置設(shè)置一道U型密封。同時(shí)，在活門軸套環(huán)內(nèi)側(cè)和活門軸的端面、接觸面均設(shè)置一道O型密封。采用這種密封結(jié)構(gòu)，不僅方便銅瓦與活門軸套環(huán)的拆卸，而且可較好的阻止泥沙進(jìn)入軸瓦。軸端完成裝配后進(jìn)行壓力測試，以檢查軸端密封以及裝配質(zhì)量情況，可使用3.78MPa的壓力進(jìn)行試驗(yàn)，保壓時(shí)間30min，重復(fù)進(jìn)行三次試驗(yàn)即可。另一方面，主密封面裝配。裝配主密封面時(shí)重點(diǎn)需要將活動(dòng)密封環(huán)、閥體、導(dǎo)環(huán)三者的間隙控制得當(dāng)，原因在于如間隙過大，則無法保證密封效果。如間隙太小，一旦活動(dòng)密封環(huán)、導(dǎo)環(huán)變形，受加壓影響活動(dòng)密封環(huán)達(dá)到平穩(wěn)的難度較大。

除此之外，整體翻身時(shí)閥體的主密封面發(fā)生變形的機(jī)率比較大，因此，裝配作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的測量，密封裝配完成后同樣需要進(jìn)行三次的壓力試驗(yàn)。

4 大型球閥的整體試驗(yàn)

所有裝配工作都完成后，需要對球閥做整體壓力以及操作試驗(yàn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理裝配過程中出現(xiàn)的不良問題。一方面，做壓力試驗(yàn)時(shí)，將密封環(huán)置于開啟位置，給兩試驗(yàn)蓋間加壓7.36MPa，維持30min后，降壓4.91MPa，維持30min，而后降低壓力至0。向上游密封環(huán)關(guān)閉腔以及上游密封環(huán)和上游試驗(yàn)蓋內(nèi)腔加壓5.89MPa，維持30min后降壓至零。另一方面，操作試驗(yàn)時(shí)，用行車做球閥全關(guān)至全開的操作，確保在全行程范圍內(nèi)閥的動(dòng)作平穩(wěn)，不能出現(xiàn)卡阻、沖擊、振動(dòng)。通過介質(zhì)壓力做密封環(huán)的操作試驗(yàn)，確保密封環(huán)動(dòng)作平滑。

5 結(jié)語

本文通過對大型球閥制造技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論。（1）為保證大型球閥制造工作的順利進(jìn)行，制造前應(yīng)明確制造要求，分析制造技術(shù)難點(diǎn)，采取措施攻克技術(shù)難關(guān)，以保證大型球閥制造質(zhì)量。（2）大型球閥構(gòu)成元件多，制作技術(shù)性強(qiáng)，要求技術(shù)人員嚴(yán)格控制各元件制造參數(shù)。同時(shí)，裝配時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場管理，確保裝配工作符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。（3）裝配工作完成后應(yīng)做壓力與操作試驗(yàn)，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)與處理存在的不良問題，為大型球閥更好的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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