黃登水電站475 MW水輪機(jī)座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)焊接

屈博興，王國輝，趙 通

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川 德陽618000）

黃登水電站位于云南省怒江州蘭坪縣境內(nèi)，是云南瀾滄江上游古水至苗尾河段水電梯級(jí)開發(fā)方案的第五個(gè)梯級(jí)水電站，壩址位于營盤鎮(zhèn)上游，以發(fā)電為主，屬Ⅰ等大（1）型工程。電站引水發(fā)電系統(tǒng)布置在左岸，為地下廠房，電站進(jìn)水口為庫岸豎井式，采用單機(jī)單管供水方式。電站地下廠房共安裝4臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 900 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為475 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，電站保證出力515.52 MW，年利用小時(shí)4 515 h，年發(fā)電量85.78億kW·h。下面敘述黃登水電站水輪機(jī)座環(huán)的現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝。

1 座環(huán)主要結(jié)構(gòu)

座環(huán)裝配由支持環(huán)、座環(huán)本體、基礎(chǔ)環(huán)及其他附件組成。座環(huán)采用平行式帶過渡板和導(dǎo)流環(huán)組焊結(jié)構(gòu)，部分過渡板和導(dǎo)流板需現(xiàn)場(chǎng)裝焊。座環(huán)裝配（包括支持環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)）高5 230 mm（座環(huán)上法蘭面加工后），座環(huán)最大外徑11.16 m。考慮到運(yùn)輸條件限制和安裝等因素，座環(huán)分為六瓣制造，每瓣分半面設(shè)臨時(shí)分瓣法蘭，在工地組焊成整圓。座環(huán)本體與支持環(huán)、基礎(chǔ)環(huán)為分開結(jié)構(gòu)，須在現(xiàn)場(chǎng)各自組焊后再按照嚴(yán)格的裝配工藝依次裝焊成整體。座環(huán)裝配與頂蓋把合的法蘭面上120個(gè)M100螺孔和與底環(huán)把合的法蘭面上24個(gè)M64螺孔在制造廠內(nèi)均已精加工完成。座環(huán)支腿設(shè)12個(gè)M100的地腳螺栓和12個(gè)M64的千斤頂，用于座環(huán)的安裝固定。其工地組焊主要包括以下部分的工地焊接，見圖1。

圖1 座環(huán)工地組焊示意圖

2 座環(huán)焊前準(zhǔn)備

座環(huán)在安裝現(xiàn)場(chǎng)組裝合格后，為確保焊接人員順利施焊和滿足相關(guān)的焊接技術(shù)條件，在座環(huán)組焊工位搭設(shè)合理的焊工施焊工作平臺(tái)。由于焊接空間有限，該平臺(tái)充分考慮了焊接部位和焊工的個(gè)人情況。座環(huán)分六瓣，參加座環(huán)焊接的人員每班12人，座環(huán)上、下環(huán)板同時(shí)對(duì)稱施焊，焊接過程中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的安全文明施工要求。焊工均為監(jiān)理和安裝單位認(rèn)可持有資質(zhì)認(rèn)證的全位置手工焊的合格焊工，且在正式焊接前進(jìn)行了模擬試塊焊接考試，考試合格者方能上崗。

2.1 焊接環(huán)境

（1）手工電弧焊風(fēng)速不大于8 m/s，氣體保護(hù)焊風(fēng)速不大于2 m/s；

（2）焊接區(qū)域1 m范圍內(nèi)相對(duì)濕度不大于90%；

（3）環(huán)境溫度不低于0℃；

（4）施工工位不能有水流影響；（5）現(xiàn)場(chǎng)照明條件良好。

2.2 施工設(shè)備及工器具

座環(huán)組焊焊縫的焊接采用的焊接方法為手工電弧焊。

（1)手工電弧焊使用的設(shè)備為直流弧焊機(jī)；

（2）焊接設(shè)備經(jīng)常維護(hù)和保養(yǎng)，定期檢查，使之處于完好狀態(tài)，確保焊接工作的正常進(jìn)行；

（3）焊接設(shè)備外殼必須可靠地進(jìn)行接地保護(hù)，以防止焊機(jī)外殼漏電時(shí)危及人身安全。

3 焊接變形控制措施

（1）焊接前在座環(huán)上平面安裝測(cè)量上、下同心度的求心架和鋼琴線，鋼琴線與座環(huán)上鏜口尺寸同心，測(cè)量座環(huán)上下環(huán)板、底環(huán)板的同心度；

（2）焊接前在座環(huán)中心架設(shè)水準(zhǔn)儀，以便焊接過程中檢測(cè)座環(huán)上環(huán)板和底環(huán)板平面的水平變化情況；同時(shí)在座環(huán)上下環(huán)板組合縫內(nèi)外兩側(cè)打上洋沖點(diǎn) l-l’、2-2’、3-3’、4-4’……，每焊一層利用游標(biāo)卡尺測(cè)量各焊縫的收縮情況；

（3）為了更有效更直觀地監(jiān)測(cè)座環(huán)各瓣體在焊接過程中的變形量，現(xiàn)場(chǎng)在每瓣座環(huán)角平分線位置的上、下環(huán)板及底環(huán)板上架設(shè)百分表實(shí)時(shí)、連續(xù)、準(zhǔn)確檢測(cè)座環(huán)上、下環(huán)板的軸向和徑向變形量及底環(huán)板內(nèi)圈的水平變化，為現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)調(diào)整焊接工藝提供有力數(shù)據(jù)支撐；

（4）為了更好地達(dá)到控制座環(huán)焊接變形的目的，現(xiàn)場(chǎng)還需用40鋼板Q235A制作一定數(shù)量的“U”形搭板，在座環(huán)開始焊接前用其將座環(huán)分瓣面處的坡口進(jìn)行搭焊固定，搭板的焊接位置不能影響焊工正常操作。

開焊后，間隔一定時(shí)間，對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量記錄、整理分析，如發(fā)現(xiàn)異常變化則立刻停止焊接，調(diào)整焊接速度、線能量或焊接順序，直至合格為止。檢測(cè)示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 座環(huán)焊接變形檢測(cè)示意圖1

圖3 座環(huán)焊接變形檢測(cè)示意圖2

4 焊接要求

焊接材料采用設(shè)備廠家提供的焊條，到貨焊條要求放置于通風(fēng)、干燥和室溫不低于5℃的專設(shè)庫房內(nèi)。焊接材料管理、烘焙、發(fā)放和回收應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，焊條必須按照說明書要求的溫度和時(shí)間進(jìn)行烘焙，嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行并設(shè)專人烘焙和發(fā)放，同時(shí)保管人員要做好實(shí)測(cè)溫度和焊條發(fā)放記錄。

4.1 清理焊縫

（1）焊縫待焊表面及其附近50 mm范圍內(nèi)不得有油污、鐵銹、油漆等有害焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，同時(shí)要求對(duì)坡口進(jìn)行打磨露出金屬光澤；

（2）對(duì)于ADB610D、S550Q、S500Q等高強(qiáng)鋼材料若采用碳弧氣刨清理，清理前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥80℃。

4.2 鋪設(shè)加熱片

加熱片鋪設(shè)根據(jù)其功率、焊接位置、座環(huán)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行，設(shè)2名電工負(fù)責(zé)焊縫預(yù)熱等日常維護(hù)工作，設(shè)1名電工配合質(zhì)檢人員進(jìn)行溫度檢測(cè)和記錄。

4.3 焊縫溫度控制

為避免在對(duì)焊縫反復(fù)預(yù)熱過程中出現(xiàn)溫度變化異常等情況的發(fā)生，正式對(duì)座環(huán)進(jìn)行焊接時(shí)，無特殊情況采用兩班不間斷連續(xù)焊接。因人員配置或其他特殊情況，中途中斷焊接時(shí)應(yīng)立即對(duì)焊縫進(jìn)行保溫，保溫溫度≥80℃。安裝單位質(zhì)檢人員不間斷對(duì)層間溫度進(jìn)行控制，并保證層間溫度不大于200℃，不低于預(yù)熱溫度。

4.4 清根焊縫控制

（1）清根焊透的焊縫，應(yīng)在清根側(cè)進(jìn)行定位焊，定位焊焊縫應(yīng)在清根過程中清除；對(duì)于不清根的焊縫，定位焊焊縫在正式焊縫有一定強(qiáng)度、厚度后清除；

（2）完成焊縫碳弧氣刨清根后，用砂輪機(jī)除去滲碳層并打磨坡口，除去坡口內(nèi)所有飛濺和熔渣等雜物顯金屬光澤，然后進(jìn)行MT探傷，探傷合格后方可進(jìn)行下一道工序。

4.5 焊接方法

（1）用φ3.2焊條進(jìn)行打底焊，擺動(dòng)寬度不大于3倍焊條直徑，焊接速度要適宜；

（2）焊接采用多層、多道、分段、對(duì)稱、退步的焊接方法，除底層和蓋面層外，每焊一層應(yīng)及時(shí)錘擊焊縫以釋放焊接應(yīng)力，并在整個(gè)焊接過程中隨時(shí)監(jiān)視焊接變形，以調(diào)整焊接順序、焊接量，且焊接時(shí)需注意保護(hù)焊縫附近的加工面，避免焊接飛濺損傷加工面。

5 座環(huán)的預(yù)熱

用電加熱器預(yù)熱座環(huán)組合縫上下側(cè)待焊區(qū)及鄰近區(qū)域，使待焊區(qū)及其附近100 mm范圍內(nèi)達(dá)到要求的預(yù)熱溫度，且整個(gè)焊接過程中不低于預(yù)熱溫度，特別要求坡口背面的對(duì)應(yīng)區(qū)域亦按前述要求預(yù)熱。預(yù)熱采用溫控儀進(jìn)行加熱控制，用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，并形成書面記錄。當(dāng)工件厚度小于50 mm時(shí)，測(cè)量距坡口邊緣4倍板厚范圍內(nèi)的溫度，且不超過50 mm；當(dāng)工件厚度超過50 mm時(shí)，測(cè)量至少為距坡口邊緣75 mm范圍內(nèi)的溫度。座環(huán)預(yù)熱示意圖如圖4所示，預(yù)熱到焊接工藝要求的預(yù)熱溫度后即可開始焊接。

高強(qiáng)度鋼現(xiàn)場(chǎng)預(yù)熱焊接受各種環(huán)境因素的影響，然而預(yù)熱控制卻是整個(gè)過程控制的重中之重。預(yù)熱可以減緩焊縫的冷卻速度，消除部分焊接應(yīng)力；可以降低因應(yīng)力對(duì)焊縫造成的焊接裂紋。所以，預(yù)熱控制的好壞將直接影響最終焊接質(zhì)量，這就要求預(yù)熱人員定期監(jiān)控，對(duì)焊接溫度定期進(jìn)行檢測(cè)，若加熱片損壞要及時(shí)更換和維修。

圖4 座環(huán)環(huán)板、過渡板組焊預(yù)熱示意圖

6 焊后消氫要求

座環(huán)環(huán)板、過渡板等高強(qiáng)鋼焊縫焊接完成后需立即進(jìn)行消氫處理，加熱溫度為250～300℃，溫升不大于50℃/h，要求保溫時(shí)間不低于4 h；保溫時(shí)間達(dá)到后緩慢冷卻，降溫速度不大于30℃/h。在消氫過程中必須嚴(yán)格控制溫度變化。從焊接開始直至消氫結(jié)束，焊縫溫度不得低于80℃。座環(huán)裝配預(yù)熱消氫示意圖見圖5。

圖5 座環(huán)裝配預(yù)熱消氫示意圖

7 座環(huán)焊接

清理安裝場(chǎng)地，準(zhǔn)備相關(guān)裝配件、工裝和工具。按照座環(huán)裝配圖、座環(huán)加工圖和安裝說明書相關(guān)要求進(jìn)行組裝，高度可按實(shí)際情況而定，但必須適合焊工仰焊操作。組裝后各分瓣法蘭面間隙及錯(cuò)牙值的大小均須滿足相關(guān)的技術(shù)要求。同時(shí)檢查座環(huán)各加工面尺寸合格后，在不影響焊工正常焊接的情況下，用若干厚40 mm的“U”形搭板將座環(huán)上下環(huán)板焊縫、座環(huán)立圈焊縫、座環(huán)底板焊縫搭焊牢固。

7.1 座環(huán)焊接焊材選用

座環(huán)包括上下環(huán)板、立圈、底環(huán)板、上下過渡板、上下導(dǎo)流板共3種材質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)組焊，必須正確使用焊材才能保證座環(huán)的焊接質(zhì)量，焊材及焊縫位置見表1。

表1 座環(huán)焊縫位置及對(duì)應(yīng)焊材

7.2 座環(huán)焊接

在座環(huán)上下環(huán)板分辨面處對(duì)焊接變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)座環(huán)上下環(huán)板水平或座環(huán)上下環(huán)板鏜口尺寸變化超過0.5 mm時(shí)，暫停焊接，及時(shí)進(jìn)行焊接順序的調(diào)整。座環(huán)焊接順序如圖6所示，其中導(dǎo)流板的裝焊應(yīng)在蝸殼裝焊完成后進(jìn)行。

圖6 座環(huán)現(xiàn)場(chǎng)組焊工藝順序示意圖

8 基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)裝焊

（1）基礎(chǔ)環(huán)組裝焊接完成后，用橋機(jī)預(yù)先調(diào)入機(jī)坑就位，等座環(huán)安裝加固完成后再進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)的組焊工作；

（2）按圖進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)的組裝，將基礎(chǔ)環(huán)的高程、水平和與座環(huán)的同軸度調(diào)整至合格后進(jìn)行基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)環(huán)縫的焊接工作；

（3）按4.1條所述進(jìn)行清理，按5條進(jìn)行預(yù)熱，先進(jìn)行定位焊，要求在坡口內(nèi)圓側(cè)沿圓周方向均布8段，每段長約200 mm，厚度大于15 mm，焊前預(yù)熱溫度≥80℃；

（4）按焊接工藝要求由6名焊工進(jìn)行焊接，圓周方向采用多層、多道、分段、退步、對(duì)稱施焊，焊接量盡可能保持一致；

（5）基礎(chǔ)環(huán)與座環(huán)環(huán)縫內(nèi)側(cè)距過流面6～7 mm時(shí)采用不銹鋼焊條焊接?；A(chǔ)環(huán)與座環(huán)組焊示意圖見圖7。

圖7 基礎(chǔ)環(huán)焊接順序及與座環(huán)焊接示意圖

9 支持環(huán)與座環(huán)裝焊

（1）為使現(xiàn)場(chǎng)蝸殼施焊有足夠的空間，并有效減少支持環(huán)的焊接變形，支持環(huán)與座環(huán)上環(huán)板的焊縫應(yīng)在蝸殼焊接合格后進(jìn)行焊接；

（2）支持環(huán)在機(jī)坑內(nèi)組裝焊接完成后，調(diào)整支持環(huán)的中心方位、水平、高程和與座環(huán)的同軸度滿足要求后，把緊支持環(huán)與座環(huán)的12個(gè)把合螺栓；

（3）按4.1條所述進(jìn)行清理，按5條進(jìn)行預(yù)熱；定位焊，要求在坡口內(nèi)圓側(cè)沿圓周方向均布8段，每段長200 mm，厚度大于15 mm；

（4）按焊接工藝要求進(jìn)行焊接，由6名焊工同時(shí)施焊，采用分段、對(duì)稱、退步的方式進(jìn)行焊接。焊縫完成焊接后應(yīng)立即按6條對(duì)焊縫進(jìn)行消氫處理；

（5）將支持環(huán)與座環(huán)配合外側(cè)止口角焊縫按圖進(jìn)行封焊。支持環(huán)與座環(huán)組焊示意圖見圖8。

圖8 支持環(huán)組裝焊接順序及與座環(huán)組焊示意圖

10 焊接檢驗(yàn)

10.1 外觀檢查

所有焊縫外觀進(jìn)行100%的檢查，采用目視、焊縫檢驗(yàn)尺和5倍放大鏡檢查。主要項(xiàng)目包括：焊縫表面及熱影響區(qū)的表面裂紋；焊縫余高；焊縫表面咬邊、夾渣、氣孔等。焊縫外觀質(zhì)量應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計(jì)和我公司安裝說明書的要求。

10.2 無損探傷檢查

所有對(duì)接焊縫探傷都要依據(jù)圖紙及相關(guān)要求來做，背縫清根后進(jìn)行一次MT檢查，正背縫各焊接50%時(shí)各一次MT和UT檢查。焊縫全部完成后，再次進(jìn)行MT和UT檢查。

10.3 返修

探傷過程中若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，首先對(duì)缺陷大小和深度進(jìn)行標(biāo)記，然后采用砂輪機(jī)或碳弧氣刨將缺陷清理干凈，并作MT或PT探傷，確認(rèn)無缺陷后，按4.1條所述進(jìn)行清理，按5條進(jìn)行預(yù)熱，并按上述要求進(jìn)行返修，返修后按圖要求進(jìn)行MT+UT探傷直至合格。

10.4 焊后清理

清理所有工藝吊耳、工藝搭塊、拉筋及焊疤，不能采用敲擊的方式，應(yīng)采用碳弧氣刨或氣割的方式去除，去除時(shí)應(yīng)留3 mm打磨余量，然后采用打磨的方式磨至與母材平齊，必要時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊按上述要求，補(bǔ)焊后打磨，并按圖紙要求進(jìn)行PT探傷。

11 結(jié)語

黃登水電站水輪機(jī)座環(huán)的現(xiàn)場(chǎng)組裝與焊接，進(jìn)行了嚴(yán)格的焊接工藝過程控制與質(zhì)量控制，并強(qiáng)制執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)安全文明施工形象工程要求，始終把可能出現(xiàn)的質(zhì)量問題和可能影響焊接的不利因素作為控制的重點(diǎn)及關(guān)鍵，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的問題，及時(shí)提出改進(jìn)及解決方案，嚴(yán)控每個(gè)節(jié)點(diǎn)，避免同類型問題再次出現(xiàn)。座環(huán)焊接完成后經(jīng)檢查座環(huán)上下環(huán)板鏜口圓度變化在0.2～1.0 mm以內(nèi)，座環(huán)上下環(huán)板鏜口半徑較設(shè)計(jì)值收縮量小于2 mm，在可控范圍內(nèi)，且焊縫焊接質(zhì)量優(yōu)良，外觀成型美觀，多層多道，無表面裂紋、氣孔、夾渣等，返修量極少，據(jù)統(tǒng)計(jì)黃登水電站4臺(tái)機(jī)組的座環(huán)焊縫總檢測(cè)長度75 380 mm，返修1 220 mm，UT探傷檢測(cè)一次合格為98.3 %，PT或MT探傷檢測(cè)一次合格率100 %。