向家壩水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)焊接及變形控制

劉春水

（泰戈特（天津）工業(yè)技術(shù)有限公司，天津 301712）

向家壩水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)焊接及變形控制

劉春水

（泰戈特（天津）工業(yè)技術(shù)有限公司，天津 301712）

從向家壩水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，分析其變形趨勢，通過采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，控制焊接變形，提高生產(chǎn)率，節(jié)約成本，使產(chǎn)品完全達(dá)到客戶滿意。對(duì)今后類似的水輪發(fā)電機(jī)組工藝措施的制定提供一定參考。

立式水輪發(fā)電機(jī)組；座環(huán)；焊接；坡口；預(yù)裝；預(yù)熱

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，中國的能源需求逐年增長，開發(fā)水能源，建立大型水電站成為滿足需求的趨勢，因而，適于高水頭的混流式水輪機(jī)被廣泛應(yīng)用。機(jī)組的功率增大，必然導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的重量增加，而座環(huán)是水輪機(jī)機(jī)組的關(guān)鍵部件，它承受機(jī)組的重量、渦殼上部混凝土的重量、水輪機(jī)水推力及蝸殼內(nèi)部水壓力。座環(huán)固定導(dǎo)葉及上、下環(huán)板的板厚超過200mm，焊縫要求是全熔透的一級(jí)焊縫，焊縫的焊接質(zhì)量及控制工件的變形是整個(gè)制造過程中的關(guān)鍵。尤其是目前我國出力最大的機(jī)組—向家壩機(jī)組。

1 電站運(yùn)行參數(shù)

向家壩電站運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 電站運(yùn)行參數(shù)

2 座環(huán)生產(chǎn)方式

因向家壩座環(huán)直徑較大，采用分瓣制做，廠內(nèi)預(yù)裝，工地焊接的方法，圖1、圖2為三維立體示意圖及分瓣示意圖。

圖1 座環(huán)三維立體示意圖

圖2 座環(huán)三維分辨示意圖

3 座環(huán)生產(chǎn)過程

向家壩機(jī)組為超大型水輪機(jī)組要保證高質(zhì)量的完成產(chǎn)品的制做，就要制定詳細(xì)的生產(chǎn)流程工藝，為保證達(dá)到生產(chǎn)要求此項(xiàng)目重點(diǎn)分為如下步驟來實(shí)施。

3.1 大厚板坡口設(shè)計(jì)

由于厚板焊接工程量大、難度高，坡口形式的設(shè)計(jì)對(duì)于焊接質(zhì)量起著十分重要的作用，是能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵。坡口小，一方面，易形成窄而深的形式，焊縫成型系數(shù)偏小，影響一次結(jié)晶，容易產(chǎn)生區(qū)域偏析，在拘束應(yīng)力大的前提下，進(jìn)而導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生；另一方面，焊工不便操作，易產(chǎn)生焊接缺陷，難于達(dá)到一級(jí)焊縫的要求。

坡口加大，不僅焊接量大大增加，拉長生產(chǎn)周期，焊縫的焊接殘余應(yīng)力也大大增加，這對(duì)焊接變形的控制極其不利，同時(shí)，也給焊縫產(chǎn)生冷裂紋埋下隱患。

經(jīng)過模擬試驗(yàn)，最后確定向家壩座環(huán)固定導(dǎo)葉的坡口為雙面半U(xiǎn)型坡口，并且，為減少生產(chǎn)總成本，不采取機(jī)加工雙面半U(xiǎn)型坡口，而采用人工鏟磨的方法。實(shí)踐證明坡口設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)要求，做到了坡口的科學(xué)性、合理性。

3.2 坡口形式示意圖（見圖3）

圖3 坡口示意圖

3.3 固定導(dǎo)葉上、下端面兩側(cè)留裝配基準(zhǔn)面

在固定導(dǎo)葉上、下端面兩側(cè)分別留50 mm長的裝配基準(zhǔn)面，坡口處與環(huán)板間留3 mm間隙，確保焊接收縮量（見圖4）。

50 mm長的裝配基準(zhǔn)面在加工固定導(dǎo)葉水力型線時(shí)，由機(jī)加工完成，減小誤差，以保證上、下兩面的平行度，使固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板垂直。

基準(zhǔn)面的作用：

（1）便于裝配

在組裝時(shí)，可以使固定導(dǎo)葉兩側(cè)的基準(zhǔn)面與環(huán)板上的1：1實(shí)樣線對(duì)齊，很容易找正。

（2）控制焊接收縮量，減小焊接變形

圖4 導(dǎo)葉端面兩側(cè)裝配基準(zhǔn)面示意圖

基準(zhǔn)面處與上、下環(huán)板無間隙接觸，在焊接開始階段，即未去除基準(zhǔn)面之前，固定導(dǎo)葉部分起到剛性支撐的作用，因焊接開始階段變形最大，以基準(zhǔn)面為指引可以有效地控制焊接變形，使得總的焊接收縮量也能保證在預(yù)留的范圍內(nèi)。

3.4 焊前準(zhǔn)備

（1）焊前對(duì)坡口及坡口兩側(cè)約50 mm范圍內(nèi)進(jìn)行清理打磨，徹底清除油污、鐵銹、灰塵等雜質(zhì)，使之露出金屬光澤。

（2）對(duì)坡口表面及附近50 mm范圍內(nèi)，做PT探傷檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后，準(zhǔn)備做預(yù)熱。

（3）采用遠(yuǎn)紅外電加熱的方法進(jìn)行預(yù)熱

厚板焊接的關(guān)鍵是防止焊接裂紋的產(chǎn)生，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度是防止裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵，特別是強(qiáng)度較高的大厚板焊接尤為重要。這是因?yàn)闇?zhǔn)確控制預(yù)熱溫度、層間溫度、后熱溫度將直接影響控制冷裂紋產(chǎn)生的三要素：即擴(kuò)散氫含量、淬硬傾向和拘束應(yīng)力。

焊接前，根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告和本座環(huán)具體結(jié)構(gòu)等，確定預(yù)熱溫度為不小于80℃，層間溫度不大于250℃，采用遠(yuǎn)紅外電加熱的方法來保證溫度符合要求。

焊前預(yù)熱的范圍為坡口邊緣起300 mm或板厚的3倍，預(yù)熱溫度的檢測在焊縫兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)，使用遠(yuǎn)紅外檢測儀檢測溫度。

（4）從焊接開始至消氫前，焊縫溫度都不低于預(yù)熱溫度。

同火焰加熱方式相比較，遠(yuǎn)紅外電加熱有：溫度控制準(zhǔn)確可靠，可以控制升、降溫速度的優(yōu)點(diǎn)。最重要的是，采用電加熱的焊縫全部受熱均勻，從而避免了火焰加熱的不均勻同焊接過程中的受熱不均勻疊加而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，有效地防止了焊接裂紋的產(chǎn)生。

由于采用了遠(yuǎn)紅外電加熱方法，減少了厚鋼板的溫度差，因此，也減少了由于不均勻加熱和冷卻所帶來的附加應(yīng)力，對(duì)提高厚板焊接質(zhì)量十分有效。

3.5 焊接工藝要點(diǎn)

（1）每個(gè)固定導(dǎo)葉安排一名焊工，幾名焊工在同一瓣上同時(shí)焊接，使各條焊縫焊接量相當(dāng)。焊接質(zhì)量相似。

（2）采用藥芯氣體保護(hù)焊（FCAW）進(jìn)行焊接，焊接規(guī)范如下：

焊接電流：140～320 A

電弧電壓：20～32 V

按焊接工藝評(píng)定結(jié)果，焊接熱輸入量最大控制在35 kJ/mm內(nèi)。

采用多層多道焊，要求焊道擺幅寬度不超過20 mm，焊層厚度的控制范圍為2.0～3.5 mm，在焊接過程中，層間溫度不超過250℃。

（3）安排合理的焊接順序，控制焊接變形。

首先焊接固定導(dǎo)葉與下環(huán)板的正弧面，每個(gè)固定導(dǎo)葉布置一名焊工，如向家壩座環(huán)，分4瓣，每瓣有7個(gè)固定導(dǎo)葉，安排了7名焊工同時(shí)焊接。焊接時(shí)分段進(jìn)行，采用退步焊，并遵從單層單道的原則，焊肉厚度達(dá)到約20 mm時(shí)，準(zhǔn)備清根。

反面碳弧氣刨清根之后，用砂輪打磨掉滲碳層，以露出金屬光澤，之后，做高溫PT探傷檢查清根處，合格后，焊接，填滿到坡口深度約1/3。葉片與上環(huán)板的焊接順序與下環(huán)板相同，并且上、下兩側(cè)對(duì)稱焊接。

對(duì)固定導(dǎo)葉進(jìn)、出水兩側(cè)的裝配基準(zhǔn)面，此時(shí)用碳弧氣刨清除，氣刨一側(cè)后，高溫PT檢驗(yàn)，合格后，焊接，焊接量與中間部分相當(dāng)時(shí)，碳弧氣刨清除另一側(cè)的基準(zhǔn)面部分，這時(shí)，進(jìn)出水兩側(cè)支撐部分與中間部分可同步做碳弧氣刨清根，高溫PT檢驗(yàn)，合格后，焊接，進(jìn)出水邊兩側(cè)及上、下環(huán)板兩側(cè)焊縫對(duì)稱焊接。

在上述碳弧氣刨清根之后，同樣要求用砂輪打磨掉滲碳層，以露出金屬光澤。之后，做高溫PT探傷檢查清根處。

焊接坡口填滿后，焊接圓弧角，并焊接出3 mm的鏟磨余量，以保證焊接、鏟磨后，焊角部分符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

焊接過程中，控制焊接質(zhì)量，避免弧坑、未熔合、氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

在上述焊接過程中，定期檢測并記錄固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板的垂直度，并根據(jù)變形情況，及時(shí)調(diào)整焊接順序，使固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板的垂直度符合設(shè)計(jì)要求，在向家壩座環(huán)的焊接過程中，四瓣座環(huán)共28個(gè)固定導(dǎo)葉與上、下環(huán)板的垂直度誤差為0～2 mm，小于設(shè)計(jì)圖紙要求的最大3 mm，客戶對(duì)質(zhì)量非常滿意。

（4）錘擊消除應(yīng)力。

除定位焊、打底焊（前3層）和焊縫蓋面不得錘擊消除應(yīng)力外，其余每焊一層，應(yīng)使用風(fēng)鏟消除焊接應(yīng)力，消除應(yīng)力的效果應(yīng)使焊縫表面屈服，方可施焊下一層，消除應(yīng)力所使用的風(fēng)鏟的錘頭部，應(yīng)磨成圓形，其圓弧半徑應(yīng)≥2 mm，必須在焊縫焊完后，即焊縫在熱狀態(tài)，立即進(jìn)行錘擊消除應(yīng)力。

實(shí)踐證明，錘擊消除應(yīng)力是焊接過程中最好的消應(yīng)力手段，對(duì)應(yīng)力的消除有著明顯的效果，起到了至關(guān)重要的作用，是其它消應(yīng)力方法所無法替代的。所以，在焊接過程中，嚴(yán)格執(zhí)行錘擊消除應(yīng)力工藝以避免應(yīng)力累積。

3.6 后熱—消氫處理

對(duì)于大厚板的焊接，后熱消氫處理也是非常關(guān)鍵，當(dāng)焊接完畢后，焊縫溫度未低于預(yù)熱溫度前進(jìn)行，消氫溫度為250～300℃，保溫時(shí)間為4 h，升溫和降溫速度不宜過快，應(yīng)低于50℃/h，以減少產(chǎn)生氫致冷裂紋的可能性。

后熱消氫處理采用遠(yuǎn)紅外加熱設(shè)備完成，采用溫控設(shè)備自動(dòng)控制，自動(dòng)控制溫度的升、降速度、最高溫度以及保溫時(shí)間。

3.7 焊后退火處理

因座環(huán)的板厚相當(dāng)厚，焊接量很大，雖然采取了上述減小焊接應(yīng)力等措施，但在焊縫內(nèi)部還存在較大的焊接殘余應(yīng)力，為進(jìn)一步消除焊接殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生延遲裂紋，需進(jìn)行焊后退火處理。

焊后退火處理在消氫處理并降至室溫48 h后，經(jīng)過PT、UT無損檢測合格后的前提下實(shí)施。

退火處理在熱處理爐中整體進(jìn)行。

處理爐的尺寸為：寬8 m×長12 m×高6 m。

熱處理前，在工件及爐中不同部位布置熱電偶，裝爐和出爐溫度將不超過400℃。升溫速度不超過50℃/h，降溫速度不超過40℃/h，最高溫度580±15℃，保溫4 h，熱處理溫度曲線自動(dòng)記錄，存檔。

3.8 無損檢測

焊縫質(zhì)量檢測采用超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）和目視檢測（VIS）相結(jié)合的方法。

焊接前應(yīng)對(duì)坡口進(jìn)行著色探傷（PT）檢驗(yàn)。

清根后應(yīng)對(duì)清根部位進(jìn)行著色探傷（PT）檢驗(yàn)。

消氫處理溫度降至室溫48 h后，做超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）檢驗(yàn)。

熱處理之后，做超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）檢驗(yàn)。

最終檢驗(yàn)合格之后，廠內(nèi)預(yù)裝。

4 結(jié)論

現(xiàn)在本公司每年生產(chǎn)近10臺(tái)混流機(jī)組的座環(huán)，每個(gè)座環(huán)的制做過程基本都參考如上所述的相關(guān)流程進(jìn)行，在制做過程中，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，對(duì)焊接過程實(shí)施檢測，控制焊接變形，尤其是向家壩、三峽的座環(huán)，無論是內(nèi)部焊接質(zhì)量還是整體幾何尺寸等都完全符合要求。客戶非常滿意。

當(dāng)然，向家壩作為目前國內(nèi)最大出力機(jī)組，它的座環(huán)焊接工藝的制定是生產(chǎn)中非常重要的一環(huán)，需要我們考慮的東西很多。

向家壩座環(huán)焊接工藝的制定是一個(gè)復(fù)雜的工程，但向家壩座環(huán)焊接作為一個(gè)立式水輪發(fā)電機(jī)組中比較典型的大結(jié)構(gòu)厚板焊接，還有很多地方需要我們繼續(xù)研究和改進(jìn)。

[1]GB/T 8564-2003水輪發(fā)電機(jī)安裝技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB/T 7894-2001水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件[S].

[3]中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[4]ASME IX2007焊接和釬焊評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].美國機(jī)械工程師學(xué)會(huì).

TK730.3+13

B

1672-5387（2017）01-0035-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.011

2016-08-22

劉春水（1982-），男，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。