厄瓜多爾CCS電站水輪機球閥裝焊工藝技術(shù)概述

賈瑞燕，田井成，喬宏來，林 磊，段偉贊

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厄瓜多爾CCS電站水輪機球閥裝焊工藝技術(shù)概述

賈瑞燕，田井成，喬宏來，林 磊，段偉贊

（哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

厄瓜多爾CCS電站水輪機球閥是哈爾濱電機廠首次自主設(shè)計制造的大型全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥，也是國內(nèi)同類制造廠家的首個大型全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥。球閥由閥體、活門和支座組成，整體寬4870mm，高3820mm，總重84.95t。在閥體與活門軸之間加裝工具軸套的方式對活門進行裝夾固定和旋轉(zhuǎn)。采取熔化極氣體保護焊進行球閥體的焊接，坡口形式為U形坡口；通過對球閥裝焊位置工藝評定，確定采用立焊位置進行焊接；焊接過程采用焊前預(yù)熱、控制層間溫度和焊后錘擊等方式控制焊接殘余應(yīng)力；多名焊工按照優(yōu)化后的焊接順序，在對稱位置同時起焊，進而控制焊接變形和焊接殘余應(yīng)力，并提升焊接效率。在法蘭角焊至1/2厚、3/4厚時，采用UT探傷檢測焊縫，確定缺陷位置及數(shù)量，進而進行修補焊，保證焊接質(zhì)量；焊接完成后，采用VT、PT、UT等檢測方法，對接頭進行全方位檢測，確定焊縫質(zhì)量達到一級焊縫要求；采用焊后去應(yīng)力退火工藝，消除球閥內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力。

水輪機；球閥；裝配；焊接；厄瓜多爾CCS電站

0 前言

球閥應(yīng)用水頭較高，密封性能較好，高水頭及抽水蓄能電站的進水閥普遍采用球閥。厄瓜多爾CCS水電站堪稱厄瓜多爾的“三峽工程”，該電站共安裝8臺套單機容量為185MW的立軸水斗式水輪發(fā)電機組，額定水頭604.1m，最大水頭616.74m，最小水頭594.27m。其中水輪機進水閥采取球閥結(jié)構(gòu)。近年來，國外在一些高水頭大型水輪機組設(shè)計中，應(yīng)用了全焊接整體結(jié)構(gòu)的球閥。經(jīng)過技術(shù)儲備，哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電機）在厄瓜多爾CCS項目上，自行設(shè)計制造出國內(nèi)首臺全焊接整體結(jié)構(gòu)水輪機球閥。經(jīng)過機組一段時間運行驗證，球閥的各項技術(shù)指標達到設(shè)計和使用要求，標志著哈電機已完全掌握了大型全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥的設(shè)計、制造技術(shù)。這項技術(shù)已在其它大型電站機組中得到推廣應(yīng)用。本文主要對全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥的結(jié)構(gòu)及其制造過程進行闡述，重點討論了球閥裝焊工具的設(shè)計和球閥焊接工藝要點。為后續(xù)新一代全焊接球閥體的制造提供借鑒。

1 球閥的結(jié)構(gòu)

球閥安裝在壓力管道和蝸殼進口之間，其焊接結(jié)構(gòu)主要由閥體、活門和支座組成，閥體分為左右兩瓣，活門為整體，具體如圖1所示。球閥整體寬4870mm，高3820mm，總重84.95t，待焊接位置壁厚可達400mm。

圖1 球閥剖視圖

球閥裝配精度要求高，焊接前應(yīng)調(diào)整閥軸與軸孔同軸度保證0.3mm，軸向位置間隙允差0.3mm[1]。焊接過程活門需多次旋轉(zhuǎn)以實現(xiàn)腔內(nèi)焊接可達性，在活門軸與閥體軸孔之間需支撐工具軸套，該工具的材質(zhì)、拆裝方式、是否參與退火，以及焊后閥體軸孔的變形對軸套拆卸的影響等均需要合理論證。球閥閥體內(nèi)表面焊接時為半封閉環(huán)境，且需多次轉(zhuǎn)動活門，焊接環(huán)境差，危險系數(shù)高，存在較大難度。

2 球閥裝焊工具軸套設(shè)計要點

（1）閥體內(nèi)表面進行焊接時，需多次旋轉(zhuǎn)活門以提供適宜的操作空間。采取在閥體與活門軸之間加裝工具軸套。

（2）傳統(tǒng)的球閥旋轉(zhuǎn)及固定工具采用不開槽的軸套，旋轉(zhuǎn)面涂抹潤滑劑，旋轉(zhuǎn)至要求位置后，在閥體進出水口與活門間或轉(zhuǎn)臂與平臺間采用搭焊拉筋固定。此種工具在活門旋轉(zhuǎn)時軸套容易發(fā)生抱死現(xiàn)象，造成工具拆卸困難及咬肉補焊；而且對于活門頻繁的旋轉(zhuǎn)，拉筋固定需要重復(fù)進行搭焊和清除，造成成本浪費和使用不便。

（3）本文的工具軸套設(shè)計滿足高精度、耐磨、便于拆裝、安全定位的要求。軸套為兩瓣，截面呈L型，外圓均布六個槽口，外圓采用沉孔螺釘把合四瓣銅瓦，如圖2所示。使用時軸套與活門焊接牢固，擋塊及閥體焊接牢固，活門轉(zhuǎn)至合適角度時，軸套槽口與兩擋塊中間空擋對齊，在其間插入銷塊，以蓋板遮擋銷塊滑落，鎖定活門。如圖3所示。

圖2 工具軸套

軸套；2-擋塊；3-銷塊；4-蓋板；5-銅瓦

圖3 工具軸套安裝示意圖

3 球閥裝焊工藝要點

3.1 表面處理工藝要點

為了提升球閥體和活門的使用壽命，需要對球閥體和活門過流處進行表面處理。但是活門裝入閥體后，由于內(nèi)部空間受限，噴砂、清理、刷漆均存在死角，球閥屬于水輪機過流部件，表面質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)工藝流程無法保證。因此在裝配前，采取對活門及閥體單件進行噴砂、預(yù)涂700℃鋁粉有機硅耐高溫漆進行防護，并將單件進行低溫熱處理，使涂裝表面漆膜固化。待球閥裝焊并熱處理完畢，再進行正常表面涂漆防護，有效保證了死角區(qū)域表面有漆膜保護。

3.2 閥體坡口制備工藝要點

（1）閥體坯料采用材質(zhì)為ZG20SiMn[2-3]，該鋼的具體成分見表1。ZG20SiMn鋼的鑄態(tài)組織為珠光體和鐵素體，其韌性高且焊接性較好。但是由于大型鑄件中易產(chǎn)生合金元素的偏析和碳化物在奧氏體中溶解不充分的現(xiàn)象，造成奧氏體成分不均勻，其強韌性很難充分發(fā)揮，因此ZG20SiMn鋼往往會經(jīng)過均勻化退火處理。在球閥體的制造過程中，將其分成兩瓣制造，隨后采用焊接的方式將兩瓣殼體焊接成一體。

表1 ZG20SiMn化學(xué)成分

（2）制備焊接接頭坡口。由于閥體坡口位置厚度較大且不均勻，最大厚度約400mm，所以采用加大接頭間隙，減小接頭坡口角度的U型坡口形式，在保證接頭坡口適合焊接的前提下盡量較少焊接量[4-5]，如圖4所示。坡口的加工過程如下：來料組圓加裝定位塊后，劃檢合縫面余量再上鏜床銑削組焊坡口，然后根據(jù)定位塊進行組圓并加工閥軸部位。

圖4 閥體坯料的焊接接頭形式

由于母材是厚度較大的鑄件，容易包含氣孔、沙眼、裂紋等鑄造缺陷，因此坡口加工前需要對焊縫區(qū)域母材進行超聲檢測。此外，坡口制備完成后，需要對坡口表面進行無損檢測，確保坡口表面無缺陷產(chǎn)生。

3.3 清理及裝配工藝要點

（1）為了保證焊接質(zhì)量，減少氣孔夾雜等缺陷，組裝前采用鋼絲刷、角磨機和砂紙將合縫面上的油漆、鐵銹及坡口加工紋路清理干凈，最終保證待焊位置呈現(xiàn)金屬光澤。隨后采用丙酮擦拭接合面，去除坡口及其附近帶有的油污和水漬，減少氣孔的來源[6-8]。

（2）裝配閥體、活門、工具軸套及工具轉(zhuǎn)臂，為保證閥體組對的同軸度要求，利用機床及定位工具進行球閥裝配。

（3）裝配后兩瓣閥體把合牢固，焊接搭塊，如圖5所示。采用焊接大塊將兩瓣閥體把合牢固的目的有兩個：一是防止在吊裝過程中，待焊位置兩側(cè)工件發(fā)生相對運動，此外，采用焊接搭塊將兩瓣閥體把合牢固還能在焊接過程中，防止由焊接變形引起的兩瓣球閥形成錯邊。

圖5 球閥裝配后把合牢固

3.4 焊接工藝要點

（1）為了兼顧焊接質(zhì)量和焊接效率兩個因素，本項目選用熔化極氣體保護焊（GMAW）對球閥體進行焊接。而且由于球閥母材為ZG20SiMn材料，因此，焊絲選取同強度等級GB ER50-6焊絲。為了進一步提升焊接效率，本項目選用78%Ar+22%CO2[9]作為保護氣體，該種保護氣可使熔化極氣體保護焊（GMAW）電弧穩(wěn)定，焊接過程易于控制，并且避免了焊絲的浪費。經(jīng)前期試驗優(yōu)化，所選擇的焊接工藝規(guī)范參見表2。采用較小的焊接規(guī)范對球閥體進行鑲邊焊和搭塊焊接，采用較高的焊接規(guī)范進行坡口填充焊接。

表2 焊接工藝規(guī)范

（2）焊接位置優(yōu)化: 球閥焊接過程中按照工件擺放方式的不同，可將焊接位置分為：平焊、立焊和橫焊3種，如圖6所示。

圖6 球閥體可用的焊接位置

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，當采用平焊位置時，焊接過程中需對球閥體進行6次翻身，并且需要多次旋轉(zhuǎn)活門進而獲得充足的施焊空間，對不同位置的焊縫進行焊接；當采用橫焊位置時，無對球閥體進行翻身，按需要多次旋轉(zhuǎn)活門，但是橫焊位置活門旋轉(zhuǎn)困難；采用立焊位置，無需球閥整體翻身，活門轉(zhuǎn)動方便，操作簡單，平穩(wěn)安全。因此在球閥體焊接過程中均采用立焊位置。

（3）雖然ZG20SiMn鋼焊接性好，但是由于接頭厚度較大，使該鋼具有一定的脆硬傾向，在冷卻速度過快的情況下，容易出現(xiàn)冷裂紋。因此，在焊前采用天然氣對球閥焊縫周圍進行預(yù)熱，預(yù)熱應(yīng)均勻，預(yù)熱溫度為100℃以上，以降低焊后冷卻速度，進而降低材料脆硬傾向，減小焊后殘余應(yīng)力，有利于焊后氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，提升球閥體焊接接頭部位的抗裂性能。此外，還可以通過調(diào)整焊接工藝，采用較大的焊接熱輸入達到提升接頭抗裂能力的目的。

（4）焊接過程中，采用較小的焊接規(guī)范進行鑲邊焊，多層多道，層間溫度低于260℃，防止焊接接頭中晶粒粗化嚴重，接頭的塑性和韌性降低。同時在焊接過程中，采用分段退焊，逐層錘擊，多次翻身等工藝手段，以達到減小焊接變形和降低焊接殘余應(yīng)力的目的[10-15]。此外多層多道焊接時，引弧和收弧位置均要離開坡口。并且焊前檢查層間溫度，當層間溫度低于100℃，高于260℃時，停止焊接。

（5）為保證球閥焊后水輪出力主要尺寸公差滿足標準要求，在球閥焊接過程中盡可能由2或4名焊工在對稱位置同時同速進行施焊。焊縫一次焊2~3層，轉(zhuǎn)動活門焊另一半位置，分多次循環(huán)將焊縫焊至圖紙要求的焊縫尺寸。

（6）焊接過程通過吊車吊轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動活門，轉(zhuǎn)動至一定角度時，采用轉(zhuǎn)動擋塊和銷塊固定活門，使不同的焊接位置得到充足的施焊空間，進而焊工可以對不同的焊接位置進行焊接。按照最小焊接變形和焊接殘余應(yīng)力原則，將焊接過程確定為多人對角施焊，具體的焊接順序如圖7所示。

圖7 球閥焊接的焊接順序

（7）球閥四個法蘭角區(qū)域焊接填充量大，最深焊縫約400mm，法蘭角位置如圖7所示，該位置焊接循環(huán)方式為先在內(nèi)部焊至25~30mm深，然后外部清根，外部焊縫焊至坡口深度的1/2，再將內(nèi)部焊至坡口深度的3/4，而后將外部坡口焊滿，最后將內(nèi)部坡口焊滿。焊接過程隨需要轉(zhuǎn)動活門，且確?；铋T固定后再進人焊接，保護焊工安全。四個法蘭角采取內(nèi)部清根，在焊至不等厚接頭位置時隨焊過渡。

（8）為了避免法蘭角坡口焊滿后進行超聲波探傷（UT）時發(fā)現(xiàn)較多的根部焊接缺陷，而使焊接返修的工作量加大，在法蘭角1/2厚、3/4厚時加兩次UT探傷，合格后才允許繼續(xù)進行焊接，保證焊接質(zhì)量。圖8中焊工正在焊接法蘭角。

（9）在球閥焊接過程中跟蹤球閥生產(chǎn)，及時協(xié)調(diào)、解決生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題，并且根據(jù)外部環(huán)境及突發(fā)狀況及時調(diào)整焊接工藝，尋找確保裝焊質(zhì)量的有效途徑。

（10）焊后的質(zhì)量檢驗：按照設(shè)計圖紙及相關(guān)尺寸公差標準，檢查工件尺寸，并按照驗收標準進行VT、PT、UT無損探傷檢查。采用肉眼觀察焊后接頭附近是否存在明顯的銹蝕現(xiàn)象，并結(jié)合滲透檢測確保接頭無未融合、裂紋。未焊透等表面缺陷產(chǎn)生。通過超聲波檢測確保焊后接頭內(nèi)部無氣孔、裂紋等內(nèi)部缺陷。

圖8 焊工在焊接法蘭角

（11）焊后退火處理：為了降低球閥體焊后的殘余應(yīng)力，提升球閥體的疲勞壽命，穩(wěn)定球閥體尺寸和焊接接頭組織，改善力學(xué)性能。采用84m2臺車退火爐對焊接完成后的球閥進行整體焊后去應(yīng)力對火。所用的熱處理工藝如圖9所示。在爐溫小于315℃，將球閥體裝爐，隨后以不超過50℃/h的加熱速度將球閥體整體溫度加熱至600℃，最大誤差容限為15℃。保溫5.5~6h后，以小于40℃/h的冷卻速度將球閥體冷卻至315℃以下，隨后空冷至室溫，取出球閥體。

圖9 球閥熱處理工藝曲線

4 結(jié)論

通過對厄瓜多爾CCS球閥的成功制造，進一步驗證了所擬定的焊前清理工藝、焊接裝配工藝及圓筒閥裝焊工藝合理、可行，可實現(xiàn)對大型球閥體結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、高效制造，得到結(jié)構(gòu)尺寸及焊縫的質(zhì)量符合設(shè)計要求的全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥體。首臺全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥的成功制造標志著哈電機掌握了其關(guān)鍵制造技術(shù)，也為我國大型全焊接整體結(jié)構(gòu)球閥制造積累可借鑒的經(jīng)驗，在其它電站的水輪發(fā)電機組中的推廣應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

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Assembling and Welding Procedure Summary of Turbine Valve in Ecuador CCS Hydropower Station

JIA Ruiyan, TIAN Jingcheng, QIAO Honglai, LIN Lei, DUAN Weizan

（Harbin Electrical Machinery Company Limited, Harbin 150040, China）

The Turbine valve of Ecuador Coca Codo Sinclair hydropower station was the first large-size all-welded structure valve designed and manufactured by Harbin Electrical Machinery Company independently and also the first largest one among the same manufacturers in our country. The Turbine valveconsists of valve body, valve rotor and support, and the overall width of 4870 mm, 3820 mm high, total weight 84.95 t. The tool sleeve was equipped between the valve body and the valve rotor for fixing and revolving the valve rotor. The valve was welded by GMAW, with double U-groove. Determined by evaluation of valve position of fabrication technology, vertical position was used for welding. To control the welding residual stress after welding, preheating, layer temperature controlling and hammering after welding were adopted. Welders worked in symmetry position at the same time, in accordance with the optimized welding sequence, to control the welding deformation and welding stress, and also to improve the welding efficiency. UT detection was added when flange Angle was welded to 1/2, 3/4 thick, in order to check the defect and ensure the welding quality. After completion of welding, use VT, PT and UT detection methods to check the all joint, to insure the welding quality reach the level of weld requirements. Annealing process was used to eliminate welding residual stress inside the valve.

turbine; valve; assembling; welding; Ecuador Coca Codo Sinclair hydropower station

TK730.6

A

1000-3983(2018)03-0037-05

2017-07-25

賈瑞燕（1985-），2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機組、汽輪發(fā)電機組部件焊接工藝方面的研究，工程師。