龍開口水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組焊質(zhì)量控制

李世棟

(四川二灘建設(shè)咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 概述

龍開口水電站位于云南省鶴慶縣的金沙江中游，電站為壩后式地面廠房，額定水頭67 m，額定轉(zhuǎn)速83.3 r/min，裝機(jī)容量為5×3 600 MW。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪最大直徑為8 600 mm，總高度4 702 mm，總重量245 t。龍開口水電站的水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司供貨。

轉(zhuǎn)輪的葉片提前在廠內(nèi)完成了精加工;上冠為整體結(jié)構(gòu)，除聯(lián)軸法蘭和上止漏環(huán)外圓進(jìn)行了粗加工外，其余部位已進(jìn)行了精加工;下環(huán)除下止漏環(huán)外圓進(jìn)行了粗加工外，其余部位已進(jìn)行了精加工且分解成3瓣。轉(zhuǎn)輪的所有散件運至現(xiàn)場后組焊成整體、探傷、退火、焊縫與葉片表面的鏟磨、整體轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)的機(jī)加工及靜平衡后的配重。通過對轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，哈電制定了一整套轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場組焊與機(jī)加工的施工措施，該措施獲得現(xiàn)場監(jiān)造工程師的批準(zhǔn)并在監(jiān)造工程師的全過程監(jiān)控下實施。

2 轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)場裝配方法

(1)采用倒裝一次裝配法(即上冠在下、下環(huán)在上)確定轉(zhuǎn)輪的裝配高度(預(yù)先考慮焊接收縮量3～5 mm)。裝配中調(diào)整上冠與下環(huán)的進(jìn)口高度及同軸度。設(shè)計進(jìn)口高度標(biāo)準(zhǔn)為2 428 mm，實測最大為2 433 mm，上冠與下環(huán)的同軸度的設(shè)計值為±1 mm，而實測控制值為0.5 mm。

(2)對組裝后的形位尺寸進(jìn)行復(fù)測。設(shè)置質(zhì)量控制點。按 X－X和Y－Y軸線及下環(huán)、上冠分別做出投影并打出標(biāo)記，測量四點的投影不重和數(shù)據(jù)值，監(jiān)測并調(diào)整轉(zhuǎn)輪下環(huán)與上冠的同心度。測量四點的投影不重合程度的弦長，調(diào)整轉(zhuǎn)輪下環(huán)與上冠的扭轉(zhuǎn)程度。轉(zhuǎn)輪在焊接過程中由于收縮會引起上冠與下環(huán)的相對扭轉(zhuǎn)，通過合理的焊接順序與適當(dāng)?shù)暮附铀俣鹊却胧p少扭轉(zhuǎn)變形量有良好的效果，從而保證了整體轉(zhuǎn)輪的形位誤差和尺寸精度。

(3)整體裝配控制。葉片裝配過程中，先將13個葉片按照事先稱重和電子配重結(jié)果，以取得13個葉片的最佳排序和最小的焊后不平衡重量，葉片按編號裝配、分組對稱均布裝配(保證轉(zhuǎn)輪裝配的位置精確)，葉片的四個頂點分別與上冠、下環(huán)的進(jìn)、出水邊的等分點重合，出口截距及進(jìn)口截距符合設(shè)計要求。葉片分組裝配可有效防止顛覆，水平基準(zhǔn)變化會影響轉(zhuǎn)輪的裝配精度，這一點在整個轉(zhuǎn)輪裝配工序中顯得尤為重要。

3 轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)場焊接

(1)轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量的控制是整個轉(zhuǎn)輪制造的核心，焊接質(zhì)量的好壞直接影響轉(zhuǎn)輪的使用效率和壽命。①由于轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片均為馬氏體不繡鋼材質(zhì)(0Gr13Ni4Mo)，其焊接材料采用馬氏體不銹鋼焊絲(HS13/5L)與之相匹配，因其碳當(dāng)量相對較高，故焊接性能較差，具有一定冷裂傾向，因此，轉(zhuǎn)輪的焊接過程控制尤為重要;②轉(zhuǎn)輪具有復(fù)雜的幾何形狀，葉片與上冠、下環(huán)的組合縫處存在薄厚不均的情況。在焊接過程中，如何減少變形和內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生，避免焊縫冷裂紋的產(chǎn)生是轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場焊接時需要控制和解決的主要問題。

(2)焊縫母材的預(yù)熱。馬氏體100℃ ±10℃，溫度每上升20℃測溫一次，轉(zhuǎn)輪各個焊接位置的溫度差別≤50℃，將焊接的層間溫度必須控制在175℃內(nèi)，從而有效的減緩了焊縫熔合金屬的過高或過低，防止了淬硬組織的形成，避免了冷裂縫的產(chǎn)生，保證了焊縫質(zhì)量。

(3)主要焊接工序。

葉片的定位焊:葉片與上冠、下環(huán)之間焊縫的中間段(除進(jìn)出口兩端各100 mm外)每間隔大約500～600 mm焊接150 mm長焊縫，焊縫厚度約為15～20 mm。

轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)、T型接頭坡口焊縫焊接:焊接分兩個部分，即打底焊和坡口正式焊接。打底焊使用HOOCr18iI4Mo2φ1.2焊絲，打底焊厚度為20 mm，預(yù)熱溫度應(yīng)不小于80℃。正式焊接使用 HS13/5Lφ1.2 焊絲。

轉(zhuǎn)輪的焊接由一名焊工焊一片葉片，在對稱位置同時、同向、同速、多層、多道焊進(jìn)行焊接，焊道寬度最大為20 mm，從坡口長度的中間向葉片的進(jìn)、出水邊等份四段，每段退步焊接，當(dāng)焊層厚度達(dá)到25 mm后再進(jìn)入下一段退步焊。

葉片與上冠正面坡口焊至60 mm深后在葉片背面清根、打磨、PT探傷。探傷合格后焊接葉片背面坡口至50 mm厚。

葉片與下環(huán)背面坡口焊至60 mm厚后按圖紙要求進(jìn)行無損探傷，合格后在葉片與下環(huán)坡口焊縫正面進(jìn)行清根、打磨、PT探傷合格后焊接葉片正面坡口焊縫至60 mm。

對轉(zhuǎn)輪焊接的坡口焊縫進(jìn)行中間過程UT探傷，合格后將葉片與下環(huán)正面焊滿，焊接過渡和圓弧R。翻身焊滿葉片與上冠正面、背面，葉片與下環(huán)背面，UT探傷合格后，焊接過渡和圓弧R，為后續(xù)組裝轉(zhuǎn)輪積累可靠的經(jīng)驗。

(4)轉(zhuǎn)輪焊后的熱處理及其他工序。

轉(zhuǎn)輪焊后，立即在現(xiàn)場進(jìn)行整體退火以消除殘余應(yīng)力。轉(zhuǎn)輪的退火采用電熱溫控法。由于轉(zhuǎn)輪部件薄厚不均，加熱時要盡量使各部件受熱均勻且溫升一致，工藝上采取人工手動方法調(diào)節(jié)爐內(nèi)溫度，要求工件之間的溫差≤70℃。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的殘余應(yīng)力較高是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生疲勞裂紋的一個重要誘因，故轉(zhuǎn)輪焊接后必須進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。在升溫和降溫過程中，保持爐內(nèi)溫度均勻上升或下降至關(guān)重要。為防止焊后轉(zhuǎn)輪放置時間過長，將15 d的粗磨工序由退火前調(diào)整到退火后進(jìn)行，焊后立即進(jìn)行退火處理，將應(yīng)力釋放。

4 轉(zhuǎn)輪加工及靜平衡試驗

轉(zhuǎn)輪加工利用哈電提供的自制設(shè)備——小立車進(jìn)行上冠上下平面、內(nèi)圓的加工，此處的關(guān)鍵在于上平面的加工，圖紙要求平度≤0.04 mm/m，方能滿足接下來的鏜孔、車上下止漏環(huán)和靜平衡的要求，以及大軸和轉(zhuǎn)輪把合后的同軸度;加工所用設(shè)備均為哈電自制設(shè)備，其關(guān)鍵在小立車加工上冠的上平面和內(nèi)圓精度必須在公差范圍內(nèi)，以它為基礎(chǔ)自制了鏜模連接板和大立車齒輪連接板，只有這樣加工出來的孔和上下止漏環(huán)才能保證合格。

轉(zhuǎn)輪靜平衡通過利用哈電自制的高壓油頂起球膜平衡設(shè)備，用高壓油將轉(zhuǎn)輪頂起，然后確定轉(zhuǎn)輪偏重位置。轉(zhuǎn)輪的靈敏度和殘余不平衡力矩是轉(zhuǎn)輪制造的兩個重要參數(shù)。水輪機(jī)組在運行中的震動大小和使用壽命與其有直接關(guān)系。工藝允許殘余不平衡力矩≤900 NM。而靈敏度為在轉(zhuǎn)輪任何位置掛1 kg重物時該處轉(zhuǎn)輪下降0.56～0.74 mm。

5 轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場制造時采取的主要質(zhì)量控制措施

(1)針對直徑8 m左右的轉(zhuǎn)輪葉片，焊后上冠和下環(huán)出水邊易產(chǎn)生裂紋。哈電高層組織焊接專家和有經(jīng)驗的科技人員對龍開口水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪的機(jī)械設(shè)計、水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，同時對轉(zhuǎn)輪強度和動態(tài)特性進(jìn)行分析計算。經(jīng)過論證和潛心研究后，決定在1#和2#機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)出水邊加400 mm長的三角塊。3#至5#機(jī)葉片進(jìn)一步優(yōu)化改型處理。

(2)轉(zhuǎn)輪在焊接過程中焊縫易產(chǎn)生裂紋和大量氣孔，直接影響轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量，這個問題一直困擾著發(fā)電制造廠家。馬氏體不銹鋼焊絲HS13/5Lφ1.2的焊接性較差，具有一定的冷裂傾向，因此，在轉(zhuǎn)輪焊接時工藝的要求較嚴(yán)格。如何保證具有復(fù)雜幾何形狀的葉片與上冠、下環(huán)的大厚度截面焊接質(zhì)量以及焊接過程中如何減少變形和焊后殘余應(yīng)力并避免裂紋的產(chǎn)生將是轉(zhuǎn)輪在工地現(xiàn)場焊接時需要解決的最主要難題。經(jīng)過科技人員和焊接師傅的細(xì)心觀察和精心研究后提出:在焊接過程中采取四控制和四必須措施。四控制為:控制好加熱溫度和層間溫度;控制好電流大小和焊縫擺寬;控制好焊接速度;控制好外購氣體的純度。四必須為:清根和層間必須清理干凈;焊接過程必須按區(qū)域進(jìn)行;電氣弧刨機(jī)使用前必須將空壓機(jī)中的水放凈;焊接前必須用防火布將轉(zhuǎn)輪圍嚴(yán)，防止串堂風(fēng)。從而保證了焊接質(zhì)量，使焊接總體質(zhì)量合格率達(dá)到100%。

(3)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的殘余應(yīng)力是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的一個重要誘因。為防止焊后轉(zhuǎn)輪放置時間過長，將15 d的粗磨工序由退火前調(diào)整到退火后進(jìn)行，焊后立即進(jìn)行退火處理，將應(yīng)力釋放。

(4)轉(zhuǎn)輪焊接、轉(zhuǎn)輪熱處理、轉(zhuǎn)輪鏟磨、轉(zhuǎn)輪加工和靜平衡等質(zhì)量對機(jī)組運行的穩(wěn)定性和使用壽命有很大的影響。如何保證它們的內(nèi)在質(zhì)量，提高轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場制造水平是我們追求的目標(biāo)。在轉(zhuǎn)輪制造過程中，堅決貫徹哈電“精細(xì)過程，精品結(jié)果”這一哈電理念，并在1#機(jī)轉(zhuǎn)輪制造過程中得到了認(rèn)真的貫徹，收到了很好的效果。熱處理工序是轉(zhuǎn)輪制造的關(guān)鍵工序，退火設(shè)備是影響熱處理的主要因素。經(jīng)過仔細(xì)觀察和認(rèn)真分析，我們發(fā)現(xiàn)分包商提供的退火設(shè)備存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題。第一:退火爐布置了288片加熱片，共 計2 880 kW，功率嚴(yán)重不足。第二:加熱片用的連接線是電阻比較高且易斷裂的不銹鋼鋼棍。第三:退火過程時間長，所用功率大，電纜線容易發(fā)熱。針對上述問題，我們與分包商經(jīng)過協(xié)商得到了很好解決，避免了轉(zhuǎn)輪在退火過程中的質(zhì)量事故。

6 結(jié)語

龍開口水電站轉(zhuǎn)輪組焊始終如一地貫徹了“精品過程、精品結(jié)果”的理念。在焊接過程中，嚴(yán)格對焊接電流和電壓、焊接擺幅的寬度及厚度進(jìn)行控制，遏制了不按焊接工藝大綱操作的習(xí)慣性違章，確保了轉(zhuǎn)輪焊接順利的進(jìn)行。在焊接過程中，堅決貫徹“四控制”、“四必須”，從而有效的解決了馬氏體在焊接中的難題。從目前實施的措施看已收到了良好的效果，轉(zhuǎn)輪焊接變形得到了有效的控制。