三峽右岸水輪機(jī)圓盤轉(zhuǎn)子支架工地組焊工藝研究

李新華

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

三峽右岸轉(zhuǎn)子支架的制造特點(diǎn)是廠內(nèi)制成分掰件，在工地裝焊成整體。采用了先進(jìn)低線能量的CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行工地組焊。并且為進(jìn)一步減少熱輸入量，把單面焊雙面成形的技術(shù)納入工地組焊工藝，使焊接變形和殘余應(yīng)力得到了較好的控制。此次在工地采用CO2氣體保護(hù)焊成功的組焊了轉(zhuǎn)子支架。

1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

三峽右岸圓盤轉(zhuǎn)子支架由轉(zhuǎn)子中心體和16瓣外環(huán)組件組成，最大外徑24.4 m，高4.75 m，總重為230 t。其中，中心體上圓盤為100 mm A3鋼板，轉(zhuǎn)子中心筒由150 mm A3鋼板熱滾焊接而成。下圓盤為20SiMn鍛件，最大厚度330 mm，外環(huán)組件的上、下翼板和腹板均為30 mm A3鋼板。主力筋為90 mm厚A3鋼板下料，且刨出正面“凹”型槽，背面留有10 mm的工地配刨余量。由于轉(zhuǎn)子支架的材料均選用低碳鋼，所以具有良好的可焊性。

2 工藝準(zhǔn)備

由于轉(zhuǎn)子支架采用剛性較大的箱型結(jié)構(gòu)，所以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接也比較困難，為了使焊后的尺寸變化均勻，降低轉(zhuǎn)子支架內(nèi)部的殘余應(yīng)力，保證支架焊接后的質(zhì)量，我們?cè)诠に?、監(jiān)測(cè)、檢查、焊工培訓(xùn)等方面做了如下規(guī)定:

2.1 焊接工藝

(1)在工地采用CO2氣體保護(hù)焊。焊接轉(zhuǎn)子支架，以代替手工電弧焊焊接。CO2氣體保護(hù)焊不但具有焊接成本低、生產(chǎn)效率高、抗裂性能好等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是它的熱輸入線能量較低，可以減少支架的變形，降低了支架內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

(2)采用對(duì)稱施焊的方法:即5名焊工間隔72°分布，在奇數(shù)號(hào)(或偶數(shù)號(hào))的5條支臂上，同時(shí)焊接相同部位的焊縫(立縫、環(huán)縫或徑向縫)，這樣轉(zhuǎn)子支架同時(shí)收縮，使得焊接變形均勻化，從而降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

(3)采用薄層鑲邊多道焊。多層焊每次所用的線能量比單層焊時(shí)要小得多。多層焊時(shí)所引起的總變形量要比單層焊時(shí)小，故殘余應(yīng)力相對(duì)的也將減小。另外，薄層多道焊時(shí)，上面的焊縫可以對(duì)下面的焊縫起到一個(gè)回火的作用，使焊縫金屬細(xì)化，既降低了殘余應(yīng)力，又增加了焊縫的強(qiáng)度。在層間用尖錘或風(fēng)鏟清渣時(shí)，也可以緩解一部分應(yīng)力。

(4)采用焊前預(yù)熱的措施。工藝中規(guī)定，當(dāng)環(huán)境溫度大于5℃時(shí)，預(yù)熱溫度為80℃。隨著越熱溫度的增加，塑性變形區(qū)雖然擴(kuò)大，但與此同時(shí)，由于較高的預(yù)熱溫度，縮小了工件在焊接時(shí)的溫差，溫度趨于均勻化，使得塑性區(qū)的收縮量減小，焊縫的變形量減小，殘余應(yīng)力也就相應(yīng)的降低。

(5)對(duì)于根部的處理(或打磨)，要采用砂輪打磨的方法，盡量避免采用氣刨、火焰清根，因?yàn)橛脷馀倩蚧鹧媲甯瑫?huì)使焊縫的熱輸入量增大，使殘余引力也相應(yīng)的增加。另外，用氣刨和火焰清根還會(huì)使焊縫表面增碳，增加焊縫的冷冽傾向。

(6)焊前要清除焊縫坡口及兩側(cè)的鐵銹、油污、油脂等雜物。

(7)在不便施焊的位置可以允許采用J507焊條焊接。但要參照有關(guān)堿性焊條烘干溫度的規(guī)定:最少烘干時(shí)間2 h，烘干溫度300～350℃，焊條使用時(shí)要放在保溫筒中，在100～120℃溫度下隨用隨取。

2.2 尺寸監(jiān)測(cè)

在整個(gè)焊接過程中，對(duì)于徑向值及弦距值用千分尺測(cè)量，并用框架水平儀測(cè)量中心體的水平變化。

另外，在每個(gè)主力筋上各有5只百分表，用以監(jiān)測(cè)支臂主力筋在高度方向、徑向及切向的變化趨勢(shì)，便于及時(shí)調(diào)整焊接次序及步驟，有效的控制了支臂的整體變形情況(圖1)。

圖1 千分表安裝

2.3 探傷檢查

對(duì)接焊縫在第一道焊完后，焊接根部打磨后及清根側(cè)第一道焊道焊完后，進(jìn)行MT探傷檢查，在接焊后則要做100%UT探傷檢查。對(duì)于角焊縫滿焊后進(jìn)行100%UT探傷檢查。以上檢查措施，使焊縫在質(zhì)量方面得到保障。

2.4 焊工資格

焊工資格考試參照國(guó)家勞動(dòng)總局編制的《壓力容器焊工考試的標(biāo)準(zhǔn)(JB 741—1980)》進(jìn)行資格驗(yàn)證。CO2氣體保護(hù)焊焊工資格參照DIN8560SGBⅡg和EBⅡg或ASME規(guī)程第Ⅳ章中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)證。如考試時(shí)間與工件焊接時(shí)間間隔超過30天，在焊接工件前，要對(duì)焊工進(jìn)行驗(yàn)證件考試。

3 工地焊接過程

3.1 轉(zhuǎn)子支架預(yù)裝

將中心體及外環(huán)組件放在支墩上，調(diào)整好焊縫的間隙(3～5 mm)后，把合合縫塊，并在環(huán)件及徑向縫的背面裝上陶瓷襯墊。

3.2 焊接

轉(zhuǎn)子支架焊接時(shí)，先焊接支臂與中心體的主要傳遞力矩的立縫、環(huán)縫，然后焊接作為支臂間的聯(lián)系焊縫——徑向縫。這樣可以使那些收縮力大的承力焊縫能自由的收縮，而不在有限制的情況下焊接，從而控制了轉(zhuǎn)子支架的整體焊接變形。

3.2.1 所有焊縫的定位焊

所有定位焊均采用CO2氣體保護(hù)焊，且5名焊工在間隔72°位置上，同時(shí)對(duì)稱施焊。定位焊的長(zhǎng)度為 80～100 mm，間距為 400 mm，焊縫厚度6～8 mm焊接前要對(duì)所有的定位焊部位進(jìn)行預(yù)熱。立縫環(huán)縫、徑向縫的定位焊見圖2，定位焊完成后去除支臂下的所有支撐方箱。

圖2 立縫定位焊;環(huán)縫定位焊;徑向縫定位焊

3.2.2 立縫的焊接

立縫采用兩面分層交替焊(如圖3)。這樣可以用較少的翻轉(zhuǎn)次數(shù)來求得最小的角度形，降低殘余應(yīng)力每道的焊接規(guī)范見表1。

圖3 交替焊接

表1 立縫焊接規(guī)范

立縫的打底焊采用分段退步焊的方法，從立縫中間開始施焊(如圖4)。打底焊后去除合縫塊并打磨焊縫根部作MT探傷檢查，合格后，焊對(duì)稱面的第二道焊縫，打磨作MT合格后，焊3～11道焊縫，全部焊完后作UT探傷檢查，并進(jìn)行尺寸監(jiān)測(cè)。

圖4 立縫交替焊接

3.2.3 環(huán)縫的焊接

環(huán)縫焊接時(shí)，背面加上陶瓷襯墊，焊底層焊縫時(shí)，運(yùn)用單面焊雙面成型的技術(shù)，一次熔透。減少了焊縫背面的清根量，使行熱輸入量減少，降低了殘余應(yīng)力(如圖5)。每道的焊接規(guī)范見表2。

環(huán)縫打底焊采用分段退步焊，從中間開始施焊(如圖6)。打底焊后去除合縫塊，并對(duì)底層焊縫做MT探傷，合格后依次焊2～12道焊縫，并注意上下層的焊接接頭最少錯(cuò)開30～50 mm，全部焊接結(jié)束后，作UT探傷檢查，并進(jìn)行尺寸檢測(cè)。

圖5 被面焊接

表2 環(huán)縫焊接規(guī)范

3.2.4 徑向縫的焊接

焊接徑向縫時(shí)，背面也要加上陶瓷襯墊，原理同環(huán)縫焊接。如圖7。

徑向縫采用分段退步焊，從中間向兩側(cè)焊。打底焊后作為MT探傷檢查，合格后由里向外焊第二道焊縫，再由外向里焊第三道焊縫。然后焊4～10層焊縫，全部焊完后作UT探傷檢查，并進(jìn)行尺寸檢測(cè)，徑向縫的焊接規(guī)范見表3。

表3 徑向縫焊接規(guī)范

3.2.5 測(cè)量結(jié)果及分析

焊接過程中，根據(jù)百分表的檢測(cè)尺寸變化結(jié)果表明，徑向收縮值主要受立縫和環(huán)縫焊接的影響。立筋的弦長(zhǎng)變化值主要受徑向縫焊接的影響。

從千分尺的測(cè)量結(jié)果中可見，立筋的徑向收縮值在-3.23～-1.72 mm之間，其平均值為-2.60，小于工藝上所要求的最大徑向收縮值3 mm。弦距的變化值在-2.75～0.10 mm之間，其平均收縮值為1.98 mm，也小于工藝上所要求的最大弦距允許值2 mm，立筋的徑向垂度為0.43 mm，切向垂度為0.24 mm。轉(zhuǎn)自中心體的水平度變化也在0.05 mm以內(nèi)。

故從焊接后的尺寸來看，完全可以滿足配刨副立筋的要求。

3.3 副立筋的裝焊

(1)根據(jù)轉(zhuǎn)子支架焊后的尺寸檢查結(jié)果，配刨副立筋，并把副立筋裝到主力筋上。在副立筋上、下及中間搭焊10處100 mm長(zhǎng)的定位焊，焊角為8 mm。

(2)由5名焊工均布在圓周上，對(duì)稱施焊焊接副立筋上螺孔，使用Φ1.2 mm J507焊條，從副立筋中間開始向上、向下交替施焊、焊接規(guī)范為:焊接電流90～110 A，焊接電壓24～26 V。

(3)使用CO2氣體保護(hù)焊焊接副立筋兩側(cè)的角焊縫，以分段退步焊從下向上，從左到右交替施焊。分段長(zhǎng)度200 mm，焊接規(guī)范:焊接電流180 A，焊接電壓24～26 V，焊接速度4.8～5.5 m/min，焊后做MT探傷檢查，并作尺寸測(cè)量。

(4)測(cè)量結(jié)果集分析。副立筋裝焊后，通過監(jiān)測(cè)的尺寸可見，副立筋槽底至中心的尺寸變化在0.30 mm內(nèi)，副立筋的弦距變化在0.40 mm內(nèi)，副立筋的徑向傾斜和切向傾斜變化均在0.30 mm內(nèi)?？梢姼绷⒔詈负蟮母黜?xiàng)尺寸變化是很小的。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子支架的立縫、環(huán)縫和徑向縫均已焊完，支臂與中心體及其支臂之間合成了一個(gè)整體，主立筋不會(huì)有很大的變化，在其上塞焊的副立筋也只能存在極小的變化。

4 結(jié)語

(1)從焊后的結(jié)果來看，副立筋的槽底至中心尺寸(7 138.5±0.2)mm及副立筋弦距(2 244.37±0.2)mm均滿足圖紙中的尺寸要求［(7 138.5±0.2)mm和(2 244.37±0.4)mm］，故本次焊接工作是成功的。

(2)本次轉(zhuǎn)子支架的焊接采用CO2氣體保護(hù)焊，又采取了正確的工藝措施，加上焊接過程中工藝方案的嚴(yán)格貫徹，轉(zhuǎn)子支架的焊接變形便可以得到較好的控制。

(3)從焊接的全過程可見，第一階段的焊接，即立縫、環(huán)縫、縱向縫的焊接是全過程的關(guān)鍵所在。此階段良好的控制會(huì)為副立筋的配刨、裝焊的順利進(jìn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(4)綜上所述，在三峽右岸支架的焊接中，避免使用手工電弧焊，創(chuàng)造條件確保用CO2氣體保護(hù)焊施焊，可把焊接變形控制在最小范圍內(nèi)。以使哈電公司在工地采用CO2氣體保護(hù)焊焊接圓盤轉(zhuǎn)子支架在尺寸控制方面達(dá)到更高的水平。