一種汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)離心式風(fēng)扇焊接工藝研究

雷居春

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，風(fēng)扇葉片與風(fēng)扇大小環(huán)之間承受復(fù)雜的交變應(yīng)力動(dòng)載荷[1]，因此對(duì)風(fēng)扇強(qiáng)度要求較高。美國(guó)西屋、日本三菱等國(guó)際大公司的無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)離心式風(fēng)扇均采用焊接方式[2]。我公司設(shè)計(jì)的70 MW汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇也為焊接結(jié)構(gòu)，其焊接空間狹小，風(fēng)葉較薄，焊接容易產(chǎn)生變形，加之母材為80 kg級(jí)高強(qiáng)鋼B780CF，焊后退火會(huì)大大降低材料的沖擊韌性等性能，因此選用合適的焊接方法、材料及工藝顯得尤為重要。

1 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

該型號(hào)勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇由1個(gè)風(fēng)扇大環(huán)、1個(gè)風(fēng)扇小環(huán)和20個(gè)風(fēng)葉三部分組成。風(fēng)葉按照一定角度均勻裝配在大環(huán)與小環(huán)之間，通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接，其中風(fēng)扇外圓直徑776 mm，高100 mm，風(fēng)扇大、小環(huán)之間均勻分布著20個(gè)風(fēng)扇葉。風(fēng)扇葉之間最窄間距為65 mm，最大間距為120 mm，風(fēng)扇葉高度為50 mm，焊縫最長(zhǎng)為100 mm，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2 焊接方法的選擇

在狹小空間進(jìn)行高質(zhì)量的焊接接頭施焊是一件非常困難的事。針對(duì)該風(fēng)扇結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在充分考慮母材焊接性與空間可達(dá)性后，我們選擇比較靈活的手工電弧焊進(jìn)行焊接。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

3 材料的選用

3.1 母材

我公司設(shè)計(jì)的70 MW汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇大環(huán)、小環(huán)和風(fēng)葉均采用寶鋼生產(chǎn)的80 kg級(jí)鋼板B780CF，鋼板的化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

3.2 焊接材料

3.2.1 評(píng)定試驗(yàn)焊條的選擇

根據(jù)B780CF鋼的特性，選擇了2種不同廠家的進(jìn)口焊條進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接材料的化學(xué)成分典型值見(jiàn)表3，力學(xué)性能典型值見(jiàn)表4。

3.2.2 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

根據(jù)圖紙要求，焊后需用熱處理的方式消除殘余應(yīng)力，所以制定帶有焊后熱處理工藝的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。按照ASME BPVC IX—2013焊接及釬接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)合以前抗裂試驗(yàn)、熱處理試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)40 mm厚B780CF鋼進(jìn)行手工電弧焊(SMAW)工藝評(píng)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

表1 B780CF鋼材化學(xué)成分(wt%)

表2 B780CF鋼材力學(xué)性能

表3 焊接材料的化學(xué)成分典型值(wt%)

表4 焊接材料的力學(xué)性能標(biāo)稱值

表5 B780CF焊接工藝評(píng)定拉伸及彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表6 B780CF焊接工藝評(píng)定低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.3 焊條牌號(hào)的確定

按照ASME BPVC IX—2013進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊條TPhoenix 11018焊接接頭力學(xué)性能完全滿足母材要求，此牌號(hào)的焊條可用于該勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇的手工電弧焊焊接。

4 風(fēng)扇主要裝焊過(guò)程

4.1 風(fēng)扇裝配

(1) 將風(fēng)扇大環(huán)水平放置于平臺(tái)上并超平，安裝風(fēng)葉側(cè)向上。

(2) 在風(fēng)扇大環(huán)上按照?qǐng)D紙要求均勻劃出每個(gè)葉片的位置線(圖2所示)，葉片采用兩點(diǎn)定位法進(jìn)行定位，按照劃好的位置線將20個(gè)葉片裝配到風(fēng)扇大環(huán)上，并點(diǎn)焊固定，每個(gè)葉片與風(fēng)扇大環(huán)點(diǎn)焊四點(diǎn)(葉片兩側(cè)各兩點(diǎn))。

(3) 葉片固定后將風(fēng)扇小環(huán)裝配至20個(gè)葉片上，調(diào)整好徑向和水平尺寸后進(jìn)行點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊方式同上，裝配好的風(fēng)扇見(jiàn)圖3。

圖2 風(fēng)扇大環(huán)超平、劃線

圖3 裝配后的風(fēng)扇

4.2 風(fēng)扇焊接

4.2.1 焊前準(zhǔn)備

焊前清理焊縫及其周邊30 mm以內(nèi)母材表面油污等雜質(zhì)，然后用火焰加熱的方式對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為80 ℃，達(dá)到預(yù)熱溫度后方可進(jìn)行焊接。

4.2.2 焊接工藝過(guò)程

將裝配好的風(fēng)扇放置到平臺(tái)上，采用圓周對(duì)稱的方式進(jìn)行焊接，即將20個(gè)風(fēng)葉分為4組，先任意挑選一組進(jìn)行焊接風(fēng)葉與風(fēng)扇大環(huán)、小環(huán)正反面共4條焊縫，每條焊縫先焊接一層(打底焊)，盡量采用小電流施焊以減小熱輸入，防止變形，焊接參數(shù)見(jiàn)表7，風(fēng)葉焊接示意圖見(jiàn)圖4，打底焊后的風(fēng)扇見(jiàn)圖5。

表7 焊接參數(shù)

圖4 風(fēng)葉焊接示意圖

圖5 風(fēng)扇打底焊

第一組5個(gè)風(fēng)葉第一層焊道焊完后，開(kāi)始焊接該組位置對(duì)稱組焊縫，同樣焊完第一層焊道后依次焊接剩余兩組焊縫，直至完成所有焊縫的打底焊。打底焊結(jié)束后進(jìn)行風(fēng)扇尺寸復(fù)檢，根據(jù)檢查結(jié)果調(diào)整下一步的焊接順序，原則上仍采用圓周對(duì)稱焊接的方式將所有焊縫焊接至圖紙要求焊角尺寸，最后再進(jìn)行尺寸校檢，保證后續(xù)有充足加工量后轉(zhuǎn)下一道工序進(jìn)行圓角打磨。

4.2.3 焊縫圓角打磨

風(fēng)扇焊接完成后，需按圖紙要求使用S40型風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將所有焊縫磨圓角R8，并圓滑過(guò)渡。

4.3 風(fēng)扇熱處理

風(fēng)扇焊后需熱處理消除應(yīng)力，因母材材料特殊性，焊接工藝評(píng)定制定了特殊的熱處理工藝，將退火溫度控制在550 ℃，避免熱處理后降低材料的沖擊韌性，具體的熱處理參數(shù)見(jiàn)圖6。

圖6 熱處理工藝曲線

4.4 探傷與缺陷修復(fù)

熱處理后對(duì)所有焊縫做PT探傷，探傷標(biāo)準(zhǔn)按ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范第VIII卷附錄八執(zhí)行，對(duì)局部缺陷按4.2.2進(jìn)行焊接修復(fù)。

因母材厚度小于38 mm，根據(jù)ASME第VIII卷規(guī)定，局部修復(fù)后不需重新熱處理，按要求打磨后探傷合格即可，同一焊縫補(bǔ)焊次數(shù)不宜超過(guò)兩次。

5 結(jié)論

通過(guò)兩種焊條的工藝評(píng)定對(duì)比試驗(yàn)，選擇出符合圖紙技術(shù)要求的焊接材料，并制定相應(yīng)的焊接工藝；該勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇已在電廠平穩(wěn)運(yùn)行兩年多，表明焊材的選擇及焊接工藝的制定是正確的。

B780CF鋼采用焊條焊接加焊后熱處理工藝的成功應(yīng)用，填補(bǔ)了我公司在該工藝方面的空白，為今后該類材料和產(chǎn)品的生產(chǎn)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。