軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)大長寬比固定導(dǎo)葉裝焊工藝優(yōu)化

喬宏來，閆海濱，呂勝海，陶捍崢

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150040）

0 前言

某梯級(jí)電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)座環(huán)固定導(dǎo)葉設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，采用低合金結(jié)構(gòu)鋼組焊而成。由于該類型固定導(dǎo)葉形狀狹長，剛度極差，焊接過程中變形很難控制，選擇合適的裝配和焊接工藝顯得尤為重要。

本文詳細(xì)論述了此類固定導(dǎo)葉裝配和焊接過程的技術(shù)關(guān)鍵及工藝驗(yàn)證方法。該電站共安裝4臺(tái)單機(jī)容量為 150MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭20m，最大水頭27.7m，最小水頭11.48m。

1 固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)簡介

固定導(dǎo)葉是水輪機(jī)座環(huán)的重要組成部分，能起到支撐、分流和導(dǎo)流的作用。該電站水輪機(jī)固定導(dǎo)葉為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，每臺(tái)座環(huán)共有24個(gè)固定導(dǎo)葉。根據(jù)流體計(jì)算結(jié)果單臺(tái)機(jī)共分為九種不同尺寸的固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)，其中1號(hào)固定導(dǎo)葉為特殊固定導(dǎo)葉，連接蝸殼首尾兩端；其余八種分別為2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)，18號(hào)～24號(hào)、10號(hào)～17號(hào)。本文選取2號(hào)和3號(hào)固定導(dǎo)葉為例進(jìn)行工藝試驗(yàn)及工藝驗(yàn)證，通過實(shí)際工藝驗(yàn)證后再投入正式生產(chǎn)。

9種固定導(dǎo)葉的高度均為4600mm，由兩塊弧板和肋板裝焊而成，弧板和肋板的厚度均為 40mm，材料為Q345C，圖1所示為普通固定導(dǎo)葉的三維結(jié)構(gòu)簡圖。固定導(dǎo)葉寬度從1060mm到1487mm不等，瓣體的半徑從R860.2mm到R23911mm不等。圖紙要求按輪廓樣板進(jìn)行檢查，誤差小于±8mm。該固定導(dǎo)葉瓣體薄、整體較長，并且外形輪廓公差要求較為嚴(yán)格，使得瓣體在成型、吊運(yùn)過程中需要嚴(yán)格控制尺寸；同時(shí)瓣體間的焊縫為單側(cè)焊縫布置，很容易造成工件向一側(cè)變形，尺寸精度很難控制；該固定導(dǎo)葉縱向尺寸較長，并且焊縫另一側(cè)為弧形結(jié)構(gòu)，需要特制的胎具或者其它工具進(jìn)行支撐，給裝配和焊接帶來很大難度。

圖1 普通固定導(dǎo)葉三維結(jié)構(gòu)簡圖

2 工藝方案制定及試制試驗(yàn)要點(diǎn)

2.1 固定導(dǎo)葉瓣體的成型

固定導(dǎo)葉瓣體采用通用模具冷壓成型，根據(jù)以往制造經(jīng)驗(yàn)，通用模具的成型單邊需預(yù)留2～3倍厚度的成型余量以保證整體成型質(zhì)量。通過在生產(chǎn)一線的調(diào)研以及與相關(guān)操作者的共同探討驗(yàn)證，最終確定瓣體半徑大于R1400mm時(shí)不留成型余量，如此可節(jié)約15%左右的鋼材消耗，同時(shí)取消了余量切割工序，降低生產(chǎn)成本、確保成型質(zhì)量的同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

因瓣體的長度為 4600mm，大大增加了瓣體成型過程中尺寸控制的難度。經(jīng)論證及實(shí)際驗(yàn)證將原有成型胎具修復(fù)并加固，4600mm長的瓣體直線度可控制在5mm以內(nèi)，節(jié)約工具成本，滿足成型質(zhì)量。

2.2 疊裝疊焊

固定導(dǎo)葉瓣體長度為 4600mm，寬度從 1060mm至1487mm不等，單件固定導(dǎo)葉的獨(dú)立裝焊可能會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。由于焊縫的另一側(cè)為弧面，需要特制的胎具或工具支撐才能完成整個(gè)裝焊工藝過程，裝配周期長，定位困難。

經(jīng)反復(fù)論證，確定采用疊裝疊焊的工藝方案，即將一組固定導(dǎo)葉重疊裝配成一組固定導(dǎo)葉，焊縫和塞焊孔朝向外側(cè)，在固定導(dǎo)葉之間裝焊?jìng)?cè)向拉筋和斷面肋板。后續(xù)可省去專用的支撐胎具；在焊接過程中，側(cè)向拉筋可提高部件的剛度、增強(qiáng)抗變形能力、有效控制焊接過程中部件產(chǎn)生的撓曲變形。優(yōu)化后的方案需實(shí)際驗(yàn)證后固化實(shí)施。

3 固定導(dǎo)葉疊裝工藝技術(shù)要點(diǎn)及過程

3.1 固定導(dǎo)葉的裝配

固定導(dǎo)葉裝配和疊裝順序如圖2所示：

圖2 固定導(dǎo)葉疊裝示意圖

（1）吊放固定導(dǎo)葉下瓣體（不帶塞焊孔）于平臺(tái)上，按圖紙要求調(diào)整兩側(cè)距離及裝配尺寸，調(diào)整后固定。

（2）根據(jù)圖紙尺寸要求分別在下瓣體內(nèi)吊裝立肋板，按圖紙要求調(diào)整尺寸，并確保垂直度不大于1mm，點(diǎn)焊固定后可按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行施焊。

（3）吊放上瓣體（帶有塞焊孔）于立肋板和下瓣體上，按圖紙要求調(diào)整尺寸，檢查合格后點(diǎn)焊固定。裝配結(jié)束后使用固定導(dǎo)葉斷面檢查樣板進(jìn)行尺寸檢查，如圖3所示。

圖3 使用斷面檢查樣板進(jìn)行裝配尺寸檢查

（4）按照上述工序(1)～(3)進(jìn)行3號(hào)固定導(dǎo)葉裝配。

（5）將2號(hào)或3號(hào)固定導(dǎo)葉翻身后放置于操作平臺(tái)上，調(diào)整固定導(dǎo)葉位置使立肋板與水平面垂直；而后在該固定導(dǎo)葉上方吊裝另一個(gè)固定導(dǎo)葉，調(diào)整位置使其立肋板與水平面垂直，并使兩個(gè)固定導(dǎo)葉兩側(cè)盡量邊緣的水平距離最小，以便于后續(xù)操作。

（6）隨型配裝斷面工藝?yán)?，?shù)量為5～6個(gè)，厚度為 30mm～40mm，調(diào)整完畢后進(jìn)行焊接固定；隨后安裝側(cè)面工藝?yán)睿摾詈穸葹?30mm～40mm，數(shù)量4～5個(gè)，長度為800mm～1000mm均可，調(diào)整結(jié)束后焊接固定。

在疊裝的工藝試驗(yàn)過程中，因?yàn)楣潭▽?dǎo)葉瓣體為弧形結(jié)構(gòu)，應(yīng)首先保證整體尺寸的準(zhǔn)確性，所以與配割的立肋板裝配允許存在間隙，同時(shí)也要保證固定導(dǎo)葉整體的穩(wěn)定性，可以通過定位焊或其它的方式進(jìn)行固定，圖4所示為疊裝結(jié)束后示意圖。

圖4 固定導(dǎo)葉疊裝示意圖

3.2 固定導(dǎo)葉的焊接

采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）的方法進(jìn)行焊接，保護(hù)氣體為 78%Ar+22%CO2，焊接材料為 GB ER50-6。在焊接過程中，預(yù)熱溫度為 50℃～60℃，層間溫度控制在260℃以內(nèi)。

本工藝試驗(yàn)利用了固定導(dǎo)葉疊裝后抗變形能力提高的特點(diǎn)，側(cè)向和斷面工藝?yán)钸M(jìn)一步增強(qiáng)了整體的剛度，并且可以有效的防止焊接變形。焊接過程中焊工需嚴(yán)格按照工藝試驗(yàn)的要求執(zhí)行，采用分段、退步、多層、多道焊的方法并采用小規(guī)范的焊接輸入對(duì)稱施焊，層間焊接順序如圖5所示，在一側(cè)焊縫（包括塞焊縫）完成1/3深度時(shí)，則翻身進(jìn)行另一側(cè)焊縫（包括塞焊縫）的焊接，同樣在完成1/3深度時(shí)，再次翻身焊接，如此往復(fù)交替直至焊接結(jié)束。

圖5 層間焊接順序

注意層間焊道接頭至少錯(cuò)開 30mm，瓣體之間的焊縫寬度較寬，可對(duì)外側(cè)的焊縫先進(jìn)行堆焊，堆焊的寬度以不影響后續(xù)瓣體之間焊縫的焊接為原則。在焊接過程中，除了底層和表層焊縫外，每層焊縫均應(yīng)進(jìn)行錘擊，以充分釋放應(yīng)力、有效控制變形，確保結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定，圖6所示為疊焊的施焊現(xiàn)場(chǎng)。

圖6 固定導(dǎo)葉疊焊施焊現(xiàn)場(chǎng)

3.3 固定導(dǎo)葉的焊后熱處理

固定導(dǎo)葉在整體裝配焊接結(jié)束后進(jìn)行退火消除應(yīng)力處理，為保證退火質(zhì)量，本文采用立放式退火，并設(shè)計(jì)了一套退火支撐工具，可滿足三組六個(gè)固定導(dǎo)葉同時(shí)退火，充分利用退火爐空間，有效控制退火變形，提高退火效率，退火擺放示意圖如圖7所示。

圖7 固定導(dǎo)葉立放退火示意圖

退火結(jié)束后清除工藝?yán)?、擋板等輔助物體，根據(jù)圖紙和相關(guān)要求進(jìn)行VT、UT、PT或MT無損探傷檢查，并根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求由焊接車間和加工車間的質(zhì)量檢驗(yàn)人員使用斷面檢查工具進(jìn)行尺寸的全面聯(lián)合劃線檢查，整體尺寸均滿足加工要求后方可轉(zhuǎn)入下序。

4 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

采用“透光度”檢查方法，使用特制斷面樣板進(jìn)行拉線檢查，樣板距離固定導(dǎo)葉的理論距離為 40mm。在固定導(dǎo)葉斷面兩側(cè)表面分別選取A、A’、B、B’、C、C’、D、D’、E、E’、F和F’十二個(gè)個(gè)點(diǎn)，在長度方向選取測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)6六個(gè)測(cè)點(diǎn)，即總共72個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面檢查，測(cè)點(diǎn)選取示意圖如圖8所示，圖9和圖10所示分別為2號(hào)和3號(hào)固定導(dǎo)葉焊后檢查記錄。

圖8 固定導(dǎo)葉測(cè)點(diǎn)位置選取示意圖

圖9 2號(hào)固定導(dǎo)葉焊后檢查記

圖10 3號(hào)固定導(dǎo)葉焊后檢查記錄

根據(jù)上圖所示，2號(hào)固定導(dǎo)葉焊后測(cè)點(diǎn)的局部最小值為 35mm，局部最大值為 45mm，多數(shù)均在37mm～42mm范圍內(nèi)；3號(hào)固定導(dǎo)葉焊后測(cè)點(diǎn)的局部最小值為 33mm，局部最大值為 45mm，多數(shù)均在37mm～43mm范圍內(nèi)，所有的公差均在±8mm之內(nèi)，符合圖紙尺寸要求。

5 結(jié)論

通過對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)大長寬比固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)分析及裝焊工藝方案論證、優(yōu)化與改進(jìn)，并將擬定的裝焊工藝進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證表明：優(yōu)化、改進(jìn)的工藝措施技術(shù)合理、可行。固定導(dǎo)葉的撓曲變形得到有效控制，各部位結(jié)構(gòu)尺寸均滿足設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)要求，不僅為生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)保障，同時(shí)也為今后此類超大型同類機(jī)組固定導(dǎo)葉焊接、制造積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。