楊房溝水電站座環(huán)組裝焊接工藝控制

賈 天

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，電站安裝4臺單機(jī)容量為375 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW，是國內(nèi)首個百萬千瓦級實(shí)行EPC總承包模式的水電站，受到同行及各界的關(guān)注。4臺套水輪機(jī)及其附屬設(shè)備由上海福伊特電機(jī)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)制造，根據(jù)焊接工藝大綱的要求，座環(huán)環(huán)板焊接為560 ℃×8 h，加溫難度大、保溫要求高。因此，制定合適的焊接工藝在實(shí)施過程中通過合理控制環(huán)板溫度監(jiān)控焊接變形成為座環(huán)組裝焊接中的關(guān)鍵工作。

2 座環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

楊房溝水電站共安裝4臺機(jī)組,由于受運(yùn)輸條件的限制,座環(huán)在制造廠內(nèi)加工完成后分為兩瓣運(yùn)到現(xiàn)場,單件最大重77 t，單臺總重147 t。座環(huán)外圓直徑為9 920 mm，整體高度3 281 mm,上、下環(huán)板厚度為160 mm,座環(huán)上、下環(huán)板材質(zhì)為S420NL-Z35鋼板，26個固定導(dǎo)葉和鼻端導(dǎo)葉的材料為S550Q高強(qiáng)度鋼板，過渡板材料為S550M高強(qiáng)度鋼板。該電站的座環(huán)現(xiàn)場焊接工作涉及到上下環(huán)板、蝶形邊等結(jié)構(gòu)部分。該座環(huán)現(xiàn)場組裝焊接控制難點(diǎn)：

(1)焊接尺寸控制要求高,在焊接過程中如何保證上環(huán)板的平面度、上下環(huán)板的圓度及同心度是焊接質(zhì)量控制的難點(diǎn)。

(2)板材較厚,預(yù)熱溫度高，座環(huán)環(huán)板焊接為局部熱處理，560 ℃×8 h，是筆者單位首次接觸到這么高溫度的熱處理情況，溫度控制得不合理，極易造成座環(huán)無法修復(fù)的變形。

(3)焊接質(zhì)量要求高,焊縫均為I類縫。

3 座環(huán)組裝焊接工藝方案

3.1 座環(huán)組裝

(1)座環(huán)的拼裝工作在安裝間定子工位進(jìn)行。根據(jù)座環(huán)實(shí)際尺寸,在工位圓8 810 mm上均布設(shè)12個高800 mm的拼裝支墩，每個鋼支墩上擺放一臺50 t千斤頂。采用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量調(diào)整支墩水平度偏差不大于1 mm。

(2)在單瓣座環(huán)吊裝前采用砂輪機(jī)打磨、砂紙細(xì)磨等方式處理座環(huán)組合縫，并對座環(huán)組合螺栓孔清洗，清除掉其中的高點(diǎn)及毛刺。起吊第一瓣座環(huán)，由于座環(huán)偏重，利用配重將座環(huán)調(diào)平及方位調(diào)整合格后起吊，緩緩下落到組裝支墩上。

(3)對第一瓣座環(huán)水平進(jìn)行調(diào)整，控制其水平偏差在1 mm之內(nèi)，合格后開始吊裝第二瓣座環(huán)。起吊第二瓣座環(huán)，同樣將座環(huán)找平，調(diào)整合格后起吊至第一瓣座環(huán)組裝處，緩緩下落到組裝支墩上。座環(huán)下落至支墩上方約50 mm處時(shí)，緩慢落鉤調(diào)整兩瓣座環(huán)組合螺栓孔，使其對正，然后裝上組合螺栓及螺母。一邊測量座環(huán)分瓣面的間隙、錯牙，一邊對稱均勻擰緊組合螺母。調(diào)整座環(huán)水平度并找準(zhǔn)圓心及X、Y軸線及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心線標(biāo)記。要求環(huán)板已加工面平面度不超過0.5 mm/m,環(huán)板內(nèi)圓圓度偏差不超過1.0 mm。根據(jù)實(shí)際測量的分瓣面間隙、錯牙情況，對組合螺母的擰緊順序進(jìn)行調(diào)整。然后調(diào)整鋼支墩上的斜楔，當(dāng)調(diào)整到兩瓣座環(huán)面銷套孔基本不錯牙時(shí)，裝入圓柱銷，然后按要求擰緊組合螺母[1]。

(4)在座環(huán)的初步組圓工作完成以后，需要檢查座環(huán)的整體水平和圓度并對其進(jìn)行調(diào)整，合格后對組合螺栓進(jìn)行把緊。在組合螺栓的把緊過程中需要控制座環(huán)組合面的組合間隙和錯牙使其符合規(guī)范要求。

3.2 座環(huán)焊接工藝

(1)現(xiàn)場焊接全部采用手工電弧焊進(jìn)行:安排8名電焊工分布在對稱的合縫位置,每個施焊部位由4名焊工對稱施焊，焊接過程連續(xù)進(jìn)行不中斷[2]。

(2)座環(huán)整體焊接順序:座環(huán)上下環(huán)板/基礎(chǔ)板分瓣面→上下過渡板分瓣面→上下環(huán)筒/內(nèi)環(huán)筒分瓣面→上下支撐筋板→蝸殼→導(dǎo)流環(huán)/板。

(3)座環(huán)上下環(huán)板焊接：按照要求進(jìn)行焊前預(yù)熱后開始定位焊縫焊接，定位焊縫長度約為80～100 mm，間距為300～400 mm，定位焊縫焊接在清根側(cè)焊縫位置。座環(huán)上下環(huán)板和基礎(chǔ)板從下側(cè)坡口進(jìn)行打底焊接，之后正面清根和焊接，道間焊接方向相反。正反面交替焊接，焊接厚度可根據(jù)實(shí)際變形情況進(jìn)行調(diào)整。焊接時(shí)由8名焊工同時(shí)、對稱填充四個分瓣面，分段退焊整體加固。

(4)座環(huán)上下過渡板焊接。劃過渡板位置線，并裝妥分瓣面上下過渡板，點(diǎn)焊牢固。8名焊工各焊接1條過渡板對接縫,呈整體對稱分布,采用薄層窄道多層多道焊接。由于該部分焊縫應(yīng)清根焊透,而此時(shí)焊縫的拘束度非常大,且母材為S500M,為避免出現(xiàn)焊接裂紋,應(yīng)盡可能降低焊接殘余應(yīng)力水平,以降低裂紋傾向。所以在焊接過程中,除打底焊道和蓋面焊道外,其余各層均應(yīng)用風(fēng)鎬錘擊消除應(yīng)力。先焊接內(nèi)側(cè)坡口1/2深度，之后外側(cè)清根焊接1/2坡口深度，焊接過程中兩側(cè)交替焊接。在焊接消除應(yīng)力及層間清理過程中需要控制施工質(zhì)量。

(5)焊接環(huán)筒與支撐筋的裝配。裝配上環(huán)筒以及下環(huán)筒堵板，點(diǎn)焊牢固，控制環(huán)筒的錯邊在1 mm以內(nèi)，環(huán)筒焊接完成后再焊接支撐筋板。焊接順序?yàn)椋合群附迎h(huán)筒的對接焊縫(即縱縫)。焊接時(shí)先焊接內(nèi)側(cè)坡口1/2深度，之后外側(cè)清根后焊接坡口深度1/2，然后兩側(cè)交替焊接。再焊接環(huán)筒與環(huán)板之間的焊縫(即環(huán)縫)，最后焊接筋板。

3.3 座環(huán)焊接質(zhì)量控制

(1)焊接材料。座環(huán)過渡板之間采用GB E6015焊材進(jìn)行焊接，過渡板與環(huán)板對接采用GB E6015焊材焊接。在焊接前所用焊條在焊條烘焙箱內(nèi)必須在350℃～400 ℃經(jīng)2 h的烘烤后緩冷至100℃～150 ℃進(jìn)行保溫；焊接過程中使用的焊條存放于接好電源的保溫筒內(nèi)保溫,焊接作業(yè)過程中隨用隨取，建立嚴(yán)格的焊條領(lǐng)用登記。

(2)坡口清理。焊前必須將坡口及其兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的毛刺、鐵銹、氧化渣、油污、水分等徹底清理干凈，清理完成后由監(jiān)理對焊接清理情況進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，經(jīng)許可后進(jìn)入下一步施焊程序。焊接過程中需特別注意層間清理工作，每一次層間清理必須完善到位，防止再次施焊過程中出現(xiàn)夾渣。

(3)環(huán)板兩端立焊位置焊接。從仰焊部位連續(xù)焊接,一直到平焊位以減少焊接接頭,保證焊接質(zhì)量。嚴(yán)格控制焊接過程中的熱輸入，把控焊接速度，避免出現(xiàn)焊接未融透的現(xiàn)象。

(4)上下環(huán)板焊接過程中需保持預(yù)熱溫度，如需中斷焊接則焊后應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理，保溫溫度250 ℃，保溫時(shí)間根據(jù)焊縫厚度確定，1 h/40 mm，最低不少于1 h。通過控制焊接后熱過程中的溫升及溫降變化速度，可以有效控制座環(huán)變形。

4 座環(huán)焊接的優(yōu)化工藝

4.1 環(huán)板焊接溫度控制

環(huán)板的焊接溫度要求：環(huán)板焊縫應(yīng)局部熱處理560 ℃×8 h，最大升溫速度30 ℃/ h，最大降溫速度30 ℃/h。加熱范圍應(yīng)覆蓋焊縫、熱影響區(qū)及其相鄰母材，且加熱帶寬度至少360 mm。焊縫表面應(yīng)布置熱電偶進(jìn)行測溫，保證焊縫中心、距熔合線0～5 mm處、距熔合線50 mm處至少各有一個測溫?zé)犭娕肌?/p>

該過程中遇到的難點(diǎn)：由于環(huán)板焊縫局部熱處理溫度達(dá)到了560 ℃，現(xiàn)場最開始按照常規(guī)水電站加溫方式，采取的單塊加熱片在試驗(yàn)加熱過程中出現(xiàn)了加熱片損壞，保溫被燃燒的現(xiàn)象，溫度也無法正常上升。多次加熱與降溫可能對座環(huán)的尺寸造成無法避免的變形，后果不可預(yù)料。

環(huán)板的焊接設(shè)備布置措施：通過對影響加溫的一系列因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單片加溫方式由于座環(huán)環(huán)板厚度過大，且不規(guī)則的弧形結(jié)構(gòu)，單層加熱片無法完美地與座環(huán)貼合，間隙過大造成熱量流失過快而加熱范圍受限導(dǎo)致加熱設(shè)備無法擴(kuò)大加溫范圍，保溫棉被與加熱片貼合過于緊密容易著火。由此制定了新的加溫措施，對于環(huán)板上下兩面采用鋪設(shè)雙層加熱片降低熱量流失速度以提高加熱效率，將保溫棉被與加熱片之間采用鋼架隔離，加大保溫棉被的鋪設(shè)范圍，在加熱片中加設(shè)熱電偶監(jiān)測溫度變化，熱電偶及加熱片與溫控柜連接，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測溫度變化情況。

環(huán)板焊接溫度控制措施：焊接施工前對施焊人員再次進(jìn)行了焊接工藝培訓(xùn)，使施工人員對焊接方式、焊接熱輸入及各自的焊接任務(wù)有了詳細(xì)的了解。焊縫焊接前需要對焊縫兩側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用遠(yuǎn)紅外溫控加熱儀，預(yù)熱溫度控制在80℃～120 ℃，預(yù)熱寬度為480 mm。焊接監(jiān)控人員需要在焊接過程中通過溫控儀對層間溫度進(jìn)行監(jiān)控，層間溫度控制在150℃～200 ℃，若發(fā)現(xiàn)溫度變化過大應(yīng)及時(shí)提醒施工人員控制焊接熱輸入，焊接過程中嚴(yán)格控制層間溫度[3]。焊接完成后按照環(huán)板焊接保溫方式對環(huán)板采用石棉布包裹，使用履帶式加熱片進(jìn)行后熱及保溫工作，保溫溫度為560 ℃，持續(xù)8 h，冷卻溫度每小時(shí)低于30°，降到了常溫。在消氫過程中嚴(yán)格控制溫度變化[4]。

通過合理的加溫設(shè)備布置、嚴(yán)格的座環(huán)焊接工藝等一系列手段，完美地保證了焊接過程中難度最大的座環(huán)環(huán)板焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了座環(huán)的順利焊接、驗(yàn)收、安裝。

4.2 環(huán)板焊接變形監(jiān)控

環(huán)板焊接變形控制要求：需要在座環(huán)焊接過程中監(jiān)控其變形情況，每間隔一定時(shí)間，利用水準(zhǔn)儀監(jiān)測座環(huán)上環(huán)板、下環(huán)板圓周均布的測點(diǎn)測量水平度變化及座環(huán)固定導(dǎo)葉高程變化，對座環(huán)焊縫兩側(cè)標(biāo)記控制點(diǎn)的收縮情況采用鋼板尺進(jìn)行檢查，對座環(huán)上法蘭、上環(huán)板、下環(huán)板等部分圓度及同軸度采用中心掛鋼琴線的檢查方式進(jìn)行檢查。監(jiān)測過程中如果發(fā)生超標(biāo)變化情況，則應(yīng)通知焊接人員立刻停止焊接，對焊接速度、線能量或焊接工位進(jìn)行調(diào)整，直至合格為止。

影響因素：環(huán)板周長減小主要是由于對接縫的焊接橫向收縮,從而使環(huán)板半徑減小;環(huán)板圓度不合格主要是由于焊接方向不同對焊接應(yīng)力的不同分布影響。

變形監(jiān)測措施：通過分析焊接過程中座環(huán)變形可能較大的時(shí)段，最終決定對座環(huán)焊接前、定位焊接完成、上下環(huán)板焊接25%、上下環(huán)板焊接50%、上下環(huán)板焊接75%、上下環(huán)板焊接100%、上下封板焊接完成、座環(huán)整體焊接完成等8個階段的座環(huán)數(shù)值進(jìn)行檢查和數(shù)據(jù)記錄。每次需要測量的部位包括座環(huán)上環(huán)板水平度、下環(huán)板水平度、上法蘭內(nèi)徑、上環(huán)板內(nèi)徑、下環(huán)板內(nèi)徑、底環(huán)板內(nèi)徑等。其中水平度采用精度水準(zhǔn)儀進(jìn)行測量，圓度采用內(nèi)徑千分尺進(jìn)行測量，每個部位的測點(diǎn)包括圓周分布的六個測點(diǎn)和焊縫位置的兩個測點(diǎn)等。每次測量完成均需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，及時(shí)確認(rèn)焊接變形情況，同時(shí)可以對焊接變化趨勢進(jìn)行確定，以便對焊接進(jìn)行調(diào)整。

變形控制措施：焊接過程中采用錘擊消應(yīng)的方式減小環(huán)板焊接應(yīng)力,使焊縫的橫向收縮值減小,控制半徑不會過小。合理控制焊接線能量和層間溫度可以控制施焊過程中的變形，焊接線能量過大和層間溫度過高等均會影響焊縫的橫向收縮量進(jìn)而改變環(huán)板半徑。環(huán)板的半徑和圓度可以通過改變焊接方向進(jìn)行調(diào)整,由外向內(nèi)方向焊接可以改變半徑過小的情況,由內(nèi)向外方向焊接可以改變半徑過大的情況。

由于焊接應(yīng)力和變形既同時(shí)存在又相互制約并不是兩種獨(dú)立的現(xiàn)象，因此，主要采用風(fēng)鏟對焊縫除打底層和蓋面層以外的各層敲擊消除應(yīng)力，同時(shí)在焊接過程中監(jiān)測變形情況，通過調(diào)整焊接參數(shù)、順序、部位進(jìn)行座環(huán)的焊接變形控制以保障焊接質(zhì)量[5]。

5 結(jié) 語

通過對楊房溝水電站座環(huán)組裝焊接工藝的研究，分析了該種結(jié)構(gòu)類型座環(huán)質(zhì)量要求高、尺寸控制難度大、預(yù)熱溫度高等焊接工藝難點(diǎn)，從控制組裝及焊接方面對影響焊接質(zhì)量的焊接溫度和焊接變形監(jiān)測兩大因素制定針對性措施。經(jīng)過控制環(huán)板雙層保溫加熱方式、控制層間溫度焊接工藝及多方位多階段變形監(jiān)控等措施的實(shí)施，降低了焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，保證了座環(huán)組裝優(yōu)良的焊接質(zhì)量，為后續(xù)機(jī)組安裝創(chuàng)造了有利條件。

尤其是筆者單位第一次接觸560 ℃×8 h熱處理焊接方式，通過該電站的實(shí)施總結(jié)了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也為以后類似工程的座環(huán)厚環(huán)板、高溫后熱處理焊接實(shí)施方式提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。