大型圓盤式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場焊接技術(shù)

潘峰 梁城 金永紅

摘要：針對大型分瓣圓盤式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架，為了降低制造成本并保證轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場焊接后尺寸精度要求，通過對焊接變形趨勢的分析，采取預(yù)先防焊接變形工藝措施和在焊接過程中控制變形趨勢的方法，此方法在柘林電站大型分瓣圓盤式轉(zhuǎn)子支架制造中進(jìn)行了實(shí)踐。結(jié)果表明，在現(xiàn)場焊接綜合控制工藝措施下，焊接后尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求;與傳統(tǒng)工藝相比，取消了現(xiàn)場焊后加工的要求，達(dá)到了降本增效的效果，為以后同類型轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場焊接提供了制造經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：圓盤式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子支架;工地組焊;焊接變形

中圖分類號(hào)：TG 442

Abstract：In order to reduce manufacturing costs and ensure dimensional accuracy which required by rotor spider after on-site welding for large split disc-type rotor spider?it is adopted pre-welding deformation preventive measures and methods of controlling deformation trend in welding process by means of analyzing welding deformation trend. This new technique has been applied in the on-site construction of large split disc-type rotor spider in Zhelin hydraulic power station. The results show that the process is effective and feasible?the dimensional accuracy meets ??the design requirements. Compared with traditional process?it reduces the cost and improves the efficiency which eliminates the post-weld machining. It provides manufacturing experience for the same type of rotor spider on-site welding in the future.

Key words：disc-type spider frame; on-site welding; welding technology

0?前言

水輪發(fā)電機(jī)是將水輪機(jī)傳輸?shù)臋C(jī)械能轉(zhuǎn)化電能的設(shè)備，其中定子和轉(zhuǎn)子是能量轉(zhuǎn)化的核心部件，轉(zhuǎn)子支架支撐轉(zhuǎn)子磁軛和磁極，共同組成轉(zhuǎn)子部套。對于大中型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，由水頭和流量決定了其選用較低的轉(zhuǎn)速，因此造成轉(zhuǎn)子支架尺寸較大，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜?？紤]運(yùn)輸?shù)纫蛩?，常采用分瓣結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場進(jìn)行組焊。由于其制造質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性、安全性及使用壽命，因此轉(zhuǎn)子支架焊接在水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組的制造中占有重要的地位。

對于大中型混流式水輪發(fā)電機(jī)分瓣轉(zhuǎn)子支架，以往采用現(xiàn)場組焊后再用專用設(shè)備進(jìn)行加工，來保證設(shè)計(jì)尺寸要求的工藝方法，對于此種工藝，需專用設(shè)備，增加制造成本，且延長現(xiàn)場制造周期，因此需探索一種新的工藝制造方法，降低制造成本。以柘林電站分瓣轉(zhuǎn)子支架為例，在制造廠內(nèi)先加工到設(shè)計(jì)尺寸，在現(xiàn)場焊接過程中，通過防焊接變形控制措施，控制轉(zhuǎn)子支架焊接變形，滿足設(shè)計(jì)尺寸公差要求，不再進(jìn)行機(jī)加工。

1?柘林轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸精度要求

柘林水電站共6臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量420 MW，文中為1#機(jī)組增容改造項(xiàng)目。柘林水電站轉(zhuǎn)子支架采用輻射式圓盤式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)子支架中心體和2瓣扇形支臂等組成，其主要材料為Q345B，總高度1 675 mm，最大外徑尺寸6 860 mm，總質(zhì)量37.7 t，其中轉(zhuǎn)子支架主要設(shè)計(jì)指標(biāo)尺寸見表1[1]。

2?柘林轉(zhuǎn)子支架焊接工藝分析及措施

從表1轉(zhuǎn)子支架關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分析，裝焊后尺寸精度要求高，因此需從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接防變形工藝控制措施以及合理的裝焊工藝流程等方面綜合分析，采取有效技術(shù)來保證整體轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場焊后尺寸精度。

轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場組焊的主要焊接量在于轉(zhuǎn)子支架扇形支臂之間對接焊接、轉(zhuǎn)子支架扇形支臂與中心體焊接。這些結(jié)構(gòu)組件間焊接是產(chǎn)生焊接變形的主要因素，控制這些焊接變形，是保證現(xiàn)場焊后轉(zhuǎn)子支架尺寸精度的關(guān)鍵。

（1）對于轉(zhuǎn)子支架中心體筋板與轉(zhuǎn)子支架扇形腹板，在設(shè)計(jì)上采用搭接角焊縫形式，避免對接焊縫過大焊接收縮而產(chǎn)生的整體變形，主要是影響制動(dòng)板平面尺寸精度的波浪度變形[2]。

（2）預(yù)先設(shè)計(jì)反變形量。分析扇形支臂變形趨勢，對接焊縫收縮經(jīng)驗(yàn)值，將兩瓣扇形支臂在焊前裝配，預(yù)留焊接收縮量，同時(shí)整個(gè)扇形支臂較理論值略下沉，焊后抵消焊接變形，達(dá)到尺寸精度要求。

（3）增加結(jié)構(gòu)剛性，減少焊接變形。在轉(zhuǎn)子支架中心體部件中的上、下圓盤與轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)件的扇形上、下環(huán)板以及轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)件的扇形板之間對接焊縫處，預(yù)先設(shè)置工藝搭板。在電站預(yù)埋安裝基礎(chǔ)上，增加自制支撐架加固基礎(chǔ)，使轉(zhuǎn)子支架中心體與基礎(chǔ)形成剛性連接，以增加轉(zhuǎn)子支架剛性。

（4）合理焊接順序?？傮w原則從里到外，對稱分段退步焊，同時(shí)分別在扇形支臂x，y軸方向架設(shè)百分表，適時(shí)監(jiān)測焊接變形，根據(jù)變形量隨時(shí)調(diào)整焊接順序，達(dá)到焊接變形符合預(yù)先設(shè)定要求。

（5）增加錘擊消應(yīng)工藝措施，降低焊接殘余應(yīng)力，減小焊接變形量[3]。

以上控制轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場焊接變形量的工藝措施是相輔相成的，在實(shí)際作業(yè)過程中，必須根據(jù)測量反饋值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，如焊接規(guī)范大小、焊接層數(shù)、焊接位置、焊接長度及搭板去除時(shí)機(jī)等，才能達(dá)到預(yù)期效果，滿足尺寸精度要求。

3?轉(zhuǎn)子支架焊接組焊

3.1?轉(zhuǎn)子支架裝配

吊裝轉(zhuǎn)子支架組焊支墩于安裝間基礎(chǔ)上，用框式水平儀水平要求≤0.03 mm/m，吊裝轉(zhuǎn)子中心體于轉(zhuǎn)子支架組焊支墩上就位，水平要求≤0.03 mm/m，用螺栓將轉(zhuǎn)子支架中心體與轉(zhuǎn)子支架組焊支墩把合牢固（圖2）。

在電站預(yù)埋安裝基礎(chǔ)上，增加自制支撐架加固基礎(chǔ)（圖3），使轉(zhuǎn)子支架中心體支墩與6件扇形支臂等高支墩形成剛性連接。

吊裝6件等高支墩，吊裝扇形支臂，如圖4所示。由于考慮焊縫收縮的影響，合縫處預(yù)留焊接收縮量3 mm。

3.2?測量工裝與工藝?yán)?/p>

由于轉(zhuǎn)子支架中心體及扇形支臂均為精加工部件，裝配精度要求高，測量工具采用轉(zhuǎn)子測圓架、水準(zhǔn)儀、內(nèi)徑千分尺等，數(shù)據(jù)精度應(yīng)在0.01 mm以內(nèi)，圖5為立筋測量示意圖。吊裝轉(zhuǎn)子測圓架，如圖6所示。調(diào)整垂直度（≤0.02 mm/m）、半徑尺寸及轉(zhuǎn)子支架中心體同心度（≤0.05 mm/m）。

調(diào)整轉(zhuǎn)子支架中心體及扇形支臂，滿足轉(zhuǎn)子支架安裝要求，在合縫處裝焊工藝搭塊，并分別在扇形支臂x，y軸方向架設(shè)8只百分表，其目的為適時(shí)監(jiān)測焊接變形，并根據(jù)變形量隨時(shí)調(diào)整焊接順序控制焊接變形，如圖7所示。

3.3?轉(zhuǎn)子支架焊接

轉(zhuǎn)子支架主要焊縫為：①中心體與支臂腹板間14條對接立縫;②上、下翼板間4條徑向焊縫;③上、下翼板與中心體間的2條環(huán)縫;④扇形板間徑向焊縫等。

采用熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)為：焊接電流120～180 A，電弧電壓21～26 V，焊接保護(hù)氣體80%CO2+20%Ar，氣體流量20～25 mL/min，焊接速度8～25 cm/min。

3.3.1?定位焊

按圖8的順序上下和兩側(cè)同時(shí)對稱施焊。焊接過程中，應(yīng)多次測量、檢查轉(zhuǎn)子支架各項(xiàng)尺寸，以便隨時(shí)調(diào)整焊接順序和滿足圖紙尺寸要求。

3.3.2?焊接順序

焊接過程應(yīng)采取分段退步焊方式并按如下順序進(jìn)行（圖9），即1環(huán)焊縫→2附件立縫→3上、下環(huán)板徑向焊縫→4上、下翼板環(huán)縫→5中心體與支臂腹板立縫→重復(fù)1～5交替焊接完成。

3.3.3?焊接過程控制要求

（1）應(yīng)確保坡口兩側(cè)200 mm范圍內(nèi)符合工藝評定要求的最低預(yù)熱溫度，且層間溫度不應(yīng)超過250 ℃。

（2）焊前在各焊縫兩側(cè)處，打上測量焊接變形的參考點(diǎn);在每瓣扇形支臂的扇形板加工面安裝2～3個(gè)百分表定時(shí)進(jìn)行監(jiān)測。

（3）每班開始焊接前必須對焊接過程進(jìn)行監(jiān)測和記錄，根據(jù)變形情況，及時(shí)調(diào)整焊接的相關(guān)工藝參數(shù)及焊工人數(shù)。

（4）大立筋的垂直度和徑向尺寸、合縫面兩側(cè)大立筋的弦距以及制動(dòng)板的平面度需作為重點(diǎn)監(jiān)測對象進(jìn)行監(jiān)測。

（5）焊接時(shí)采取在焊接熔池未完全冷卻的情況下，進(jìn)行錘擊消應(yīng)處理，底層和蓋面層除外。

3.4?焊接前后尺寸檢查

通過表2焊接尺寸數(shù)據(jù)分析，柘林1#轉(zhuǎn)子支架焊接后其主要尺寸指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

4?結(jié)論

（1）通過系列防焊接變形工藝措施的實(shí)施，柘林1#轉(zhuǎn)子支架現(xiàn)場組焊后主要尺寸指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

（2）建立了針對大型圓盤式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)現(xiàn)場裝焊新工藝技術(shù)，并通過柘林電站轉(zhuǎn)子支架項(xiàng)目的實(shí)施得到了驗(yàn)證，為今后同類型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品現(xiàn)場組焊提供了一種降本增效新工藝方法。

參考文獻(xiàn)

[1]?中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 8564—2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

[2] 白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京：電力工業(yè)出版社，1982.

[3] 賈安東.焊接結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)設(shè)計(jì)[M].天津：天津大學(xué)出社，1989.