烏東德左岸水電站轉(zhuǎn)子支架焊接工藝

葉世忠，羅前林，王濤，程杰明，常永濤

（中國長江電力股份有限公司烏東德電廠，昆明 651500）

0 前言

烏東德水電站位于云南省祿勸縣和四川省會(huì)東縣交界，是實(shí)施“西電東送”的國家重大工程，電站共安裝12 臺(tái)單機(jī)容量85 萬千瓦水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 020 萬千瓦，是中國第四座、世界第七座跨入千萬千瓦級(jí)行列的巨型水電站。為了將烏東德機(jī)組打造為精品機(jī)組，各相關(guān)單位從設(shè)計(jì)、制造、安裝各環(huán)節(jié)對(duì)機(jī)組質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。其中，轉(zhuǎn)子支架焊縫較長、板材厚度較厚、焊縫溫度變化不均勻等因素對(duì)轉(zhuǎn)子支架焊接不利。為防止轉(zhuǎn)子支架焊縫發(fā)生角變形，或者各結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)應(yīng)力不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子支架焊后外觀尺寸收縮不均勻，焊縫開裂等缺陷。轉(zhuǎn)子支架焊接過程中，一般會(huì)使用騎馬板對(duì)焊縫兩側(cè)板材進(jìn)行約束，此焊接工藝在水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子支架焊接方面得到廣泛應(yīng)用，在溪洛渡電站、向家壩電站、三峽電站轉(zhuǎn)子支架焊接過程中，轉(zhuǎn)子支架焊后施工單位自檢，焊縫無損檢測通過率穩(wěn)定在95%～98%，返修后能100%通過無損檢測。但添加騎馬板存在2 個(gè)缺點(diǎn)：一是會(huì)導(dǎo)致焊縫冷卻后存在較大內(nèi)應(yīng)力；二是騎馬板添加和割除工序延長了轉(zhuǎn)子支架焊接工期。為了保證轉(zhuǎn)子支架焊接質(zhì)量及縮短轉(zhuǎn)子支架焊接工期，各參建方結(jié)合轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定取消騎馬板。轉(zhuǎn)子支架焊縫采用X 形坡口，焊接過程中，施焊人員對(duì)稱分布。結(jié)合焊接工藝特點(diǎn)，烏東德轉(zhuǎn)子支架焊接工藝命名為轉(zhuǎn)子支架弱約束對(duì)稱焊接工藝。明顯縮短了轉(zhuǎn)子支架焊接工期，降低了焊縫內(nèi)應(yīng)力，提升了轉(zhuǎn)子支架焊接質(zhì)量，同時(shí)也打破了轉(zhuǎn)子支架焊接工藝的傳統(tǒng)，但這一焊接工藝對(duì)同時(shí)施焊人員的焊接要求相對(duì)較高，要求施焊人員焊接速度基本一致。

1 轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)介紹

轉(zhuǎn)子支架為圓盤式，由1 個(gè)圓盤中心體、6 塊（5大1 ?。┺D(zhuǎn)子支臂現(xiàn)場組焊而成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。轉(zhuǎn)子中心體整件到貨，高度3 930 mm，質(zhì)量約97.3 t。大支臂單件質(zhì)量約60.7 t，小支臂單件質(zhì)量約30.3 t。轉(zhuǎn)子支架大立筋共33 條，其半徑為7 598 mm，弦距1 444 mm，位于轉(zhuǎn)子支架徑向焊縫兩側(cè)大立筋為活立筋，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)子支架焊接變形。現(xiàn)場對(duì)轉(zhuǎn)子支架組裝。保證中心體水平度0.02 mm/m，轉(zhuǎn)子上下法蘭同心度0.03 mm，徑向垂直度±3 mm。

圖1 轉(zhuǎn)子支架示意圖

1.1 中心體就位調(diào)整

清洗、檢查轉(zhuǎn)子中心體各機(jī)加工面，保證各表面干凈和無高點(diǎn)，并對(duì)下法蘭及銷釘孔進(jìn)行涂油防銹處理。將轉(zhuǎn)子中心體吊至支撐上，測量中心體上法蘭面水平，采用在中心體與支撐之間加墊或調(diào)整支撐底部楔子板的方法，調(diào)整中心體上法蘭面的水平，確保中心體與支撐把緊后上法蘭水平不大于0.02 mm/m。校驗(yàn)中心體上法蘭的水平及上、下法蘭止口同心度并記錄。

1.2 轉(zhuǎn)子支臂掛裝

打磨中心體、支臂坡口焊縫表面100 mm 范圍內(nèi)的油漆，漏出金屬光澤后，母材做PT 檢查，如有缺陷用打磨的方式清除。按圖紙支撐布置圖擺放轉(zhuǎn)子支架支撐[1]，全面檢查轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支臂及轉(zhuǎn)子各支臂之間把合塊的組合面，清洗把合螺栓及銷釘。根據(jù)制造廠內(nèi)的預(yù)裝標(biāo)記，逐一掛裝轉(zhuǎn)子支臂。檢查調(diào)整各支臂大立筋半徑與弦距，并依次打緊各把合螺栓，頂緊各支臂及掛鉤下部支撐。檢查分瓣面間隙、錯(cuò)牙。轉(zhuǎn)子支架各大立筋焊接前半徑、合縫處弦距、掛鉤與中心體下法蘭高程差及立筋周向、徑向垂直度[2]。

2 轉(zhuǎn)子支架焊接工藝及流程

2.1 焊接工藝參數(shù)控制

根據(jù)焊縫坡口形式及材質(zhì)，選擇合適的焊接電流、電弧電壓及焊接速度等焊接工藝參數(shù)，可以減小焊接應(yīng)力，提升焊接質(zhì)量。熱輸入過小時(shí)，冷卻速度快，容易得到馬氏體組織，焊接接頭會(huì)淬硬；而熱輸入過大時(shí)，焊縫過熱區(qū)尺寸變大，冷卻速度慢，接頭晶粒會(huì)長大，產(chǎn)生魏氏體等粗大組織，易脆化[3]。結(jié)合轉(zhuǎn)子支架特點(diǎn)，焊接工藝參數(shù)按表1、表2 進(jìn)行控制。

表1 轉(zhuǎn)子支架焊接工藝參數(shù)

表2 焊縫預(yù)熱

2.2 焊接工序

2.2.1 焊前準(zhǔn)備

在焊縫端部安裝引、熄弧板，保證焊縫端部的內(nèi)部質(zhì)量；焊前在轉(zhuǎn)子支架各參數(shù)測量點(diǎn)處做好標(biāo)記，確保每次測量點(diǎn)一致[4]；對(duì)焊縫間隙進(jìn)行檢查，焊縫間隙大于5 mm 時(shí)，在清根側(cè)進(jìn)行堆焊處理，坡口角度過小時(shí)，進(jìn)行打磨修正。

2.2.2 焊接順序

先進(jìn)行定位焊，待溫度降至室溫測量轉(zhuǎn)子支架參數(shù)，分析測量尺寸，進(jìn)行支臂筋板與中心體間立縫焊接，再進(jìn)行支臂間環(huán)板徑向縫焊接（環(huán)板焊接，先厚板再薄板），焊縫每完成25%，進(jìn)行一次外觀監(jiān)測，分析外觀尺寸，繼續(xù)焊接。

2.2.3 定位焊

加熱溫度達(dá)到80～100 ℃后，加熱板調(diào)成保溫模式，開始焊接。定位焊厚度為10～15 mm、層數(shù)不少于2 層，定位焊焊縫長度為60～80 mm、間距為300～400 mm，每道焊縫焊完必須錘擊消除應(yīng)力。

2.2.4 正式焊接

立縫焊接。立縫共計(jì)22 條，分別編號(hào)1～22 號(hào)，安排11 名焊工圓周對(duì)稱、同步焊接。先焊單數(shù)焊縫正縫側(cè)（大坡口側(cè)），當(dāng)焊接厚度達(dá)到15 mm 左右，停止焊接，將焊縫加熱至250 ℃保溫4 h 后自然冷卻，冷卻至室溫，對(duì)單號(hào)背縫清根、刨縫、打磨，MT 探傷合格[5]，測量轉(zhuǎn)子支架外觀尺寸，對(duì)雙號(hào)焊縫進(jìn)行焊接，焊接工藝與單號(hào)焊縫一致。正縫焊接完成，對(duì)單號(hào)焊縫背縫（小坡口側(cè)）進(jìn)行焊接，焊接厚度達(dá)到焊縫厚度2/3 左右，停止焊接，將焊縫加熱至250 ℃保溫4 h 后自然冷卻，割除立縫把合塊，測量轉(zhuǎn)子支架外觀尺寸。焊接過程需根據(jù)轉(zhuǎn)子支架外觀尺寸，對(duì)正縫、背縫進(jìn)行分段跳焊或退步焊[6]，此時(shí)分段可延長，減少分段數(shù)，直至填滿縫深，最終進(jìn)行蓋面焊。

支臂環(huán)板徑向焊縫焊接。徑向縫為12 條，安排12 名焊工焊接，沿圓周對(duì)稱分布施焊，要求上下對(duì)稱、同步焊接。外環(huán)板焊量大于15 mm，內(nèi)環(huán)板焊量大于30 mm，停止焊接。將焊縫加熱至250 ℃保溫4 h后自然冷卻。對(duì)背縫清根、刨縫打磨，MT 檢測合格，測量轉(zhuǎn)子支架外觀尺寸。對(duì)上下環(huán)背縫進(jìn)行焊接，焊接控制工藝與正縫焊接控制一致，背縫焊后達(dá)到2/3 焊接厚度，割除徑向縫把合塊，剩余焊縫根據(jù)轉(zhuǎn)子支架外觀參數(shù)雙面交替焊接，直至焊完。

2.3 焊接數(shù)據(jù)分析

轉(zhuǎn)子支架大立筋周向及徑向均預(yù)留有6 mm 加工余量，測量分析活立筋垂直度，選取合適的焊接順序，確保轉(zhuǎn)子支架焊接完成，大立筋具有足夠加工余量。同一瓣轉(zhuǎn)子支架大立筋基本同步變化，因此在對(duì)轉(zhuǎn)子支架進(jìn)行外觀監(jiān)測過程中，選取組合縫兩側(cè)大立筋（活立筋）進(jìn)行監(jiān)測。

圖2 為活立筋上半徑變化趨勢。大立筋上半徑收縮主要集中在焊前至立縫25% 焊接階段和立縫100%焊接至橫縫50%焊接階段，2 個(gè)階段大立筋上半徑平均收縮量達(dá)到4.3 mm，接近整個(gè)焊接階段大立筋上半徑平均收縮量4.58 mm。

圖2 活立筋上半徑變化趨勢

圖3 為活立筋下半徑變化趨勢。大立筋下半徑收縮主要集中在焊前至立縫25%焊接和橫縫焊接全過程，其中橫縫焊接過程，平均每完成橫縫25%焊接量，下半徑收縮0.5 mm，整個(gè)焊接過程大立筋下半徑平均收縮量為3.8 mm。

圖3 活立筋下半徑變化趨勢

上、下半徑變化趨勢差異較大的原因與轉(zhuǎn)子支架特點(diǎn)相關(guān)，其中轉(zhuǎn)子支架焊接階段除活立筋外，其余大立筋中間均有擋風(fēng)板，擋風(fēng)板在一定程度上增加了轉(zhuǎn)子下環(huán)板剛性；此外，轉(zhuǎn)子下環(huán)板和大立筋掛鉤下部均有支墩。焊接過程中，轉(zhuǎn)子下環(huán)板和大立筋掛鉤與支墩間存在摩擦力，摩擦力在一定程度上限制了大立筋下半徑的縮小。

圖4 為立筋徑向垂直度變化趨勢。圖5 為活立筋掛鉤高程變化趨勢。整體來講，大立筋徑向垂直度及大立筋掛鉤高程均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，與焊接量關(guān)系不是很密切。

圖4 活立筋徑向垂直度變化趨勢

圖5 活立筋掛鉤高程變化趨勢

圖6 為活立筋周向垂直度變化趨勢。大立筋周向垂直度在立縫焊接過程中存在明顯的正弦規(guī)律，大立筋周向垂直度在大立筋焊接過程中相對(duì)好控制，其中2 號(hào)、3 號(hào)、23 號(hào)和24 號(hào)大立筋在橫縫焊接過程中周向垂直度存在較大波動(dòng)，且2 號(hào)和3 號(hào)、23 號(hào)和24 號(hào)波動(dòng)方向相反。其余大立筋周向垂直度在橫縫焊接過程中變化不大。查看現(xiàn)場記錄，2 號(hào)與3 號(hào)大立筋間下環(huán)板間隙7～12 mm，23 號(hào)與24 號(hào)大立筋間上環(huán)板間隙8～11 mm，均大于平均值5 mm，說明環(huán)板間隙較大是導(dǎo)致橫縫焊接過程中大立筋周向垂直度變化的主要原因。

圖6 活立筋周向垂直度變化趨勢

圖7 為活立筋弦距變化趨勢。大立筋弦距收縮主要集中在定位焊及橫縫焊接過程中，其中因2 號(hào)與3 號(hào)大立筋下環(huán)板間隙較大，大立筋弦距在橫縫焊接過程中收縮量為5.5 mm，弦距平均達(dá)4.08 mm。

圖7 活立筋弦距變化趨勢

綜上所述，轉(zhuǎn)子焊接過程中，需要重點(diǎn)對(duì)大立筋上、下半徑及周向垂直度進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)也要對(duì)焊縫間隙大的部位進(jìn)行處理，避免焊縫收縮不均勻。

3 焊接質(zhì)量控制

焊條在使用前必須經(jīng)350～400 ℃烘烤1～2 h，烘干后的焊條應(yīng)保存在100～150 ℃的恒溫箱內(nèi)，隨用隨取，焊工應(yīng)備有焊條保溫筒，焊條在保溫筒內(nèi)存放超過4 h 應(yīng)重新烘烤，反復(fù)烘烤次數(shù)不應(yīng)超過2 次。焊接作業(yè)過程中，嚴(yán)禁焊工手持2 根以上焊條。施工現(xiàn)場設(shè)置專門的焊條管理員，負(fù)責(zé)焊條的保管、烘干、發(fā)放和回收，并作好詳細(xì)的記錄[7]。

預(yù)熱前確保加熱板與焊縫緊密貼合，預(yù)熱時(shí)確保各焊縫溫度同步上升，單條焊縫溫差（測點(diǎn)位于加熱板焊縫側(cè)相同距離）不大于15 ℃，各加熱焊縫平均溫差不大于15 ℃。焊接過程中，必須每隔15 min 測量記錄一次溫度，控制層間溫度不超過200 ℃。焊接完成加熱到250 ℃保溫4 h 消氫[8]。打底焊及蓋面焊使用?3.2 mm 焊條，其余使用?4.0 mm 焊條，除打底焊3 層及蓋面焊縫，其余每一道焊縫焊后必須立即錘擊消除應(yīng)力[9]。立縫、徑向縫前50%焊接分11 段進(jìn)行分段跳焊或者進(jìn)行退步焊。后50%可分11 段或5 段。

立縫焊接控制，立縫禁止從上往下進(jìn)行焊接。除蓋面焊外，所有焊縫必須分段進(jìn)行。立縫正常焊接采用圖8a 焊接順序。如圖8b 所示，當(dāng)立筋垂直度為正，希望立筋垂直度減小時(shí)，對(duì)立筋正縫使用圖8c 的焊接順序，或?qū)Ρ晨p使用圖8d 的焊接順序。當(dāng)立筋垂直度為負(fù)，希望立筋垂直度變大時(shí)，對(duì)立筋正縫使用圖8d 的焊接順序，對(duì)立筋背縫使用圖8c 的焊接順序。徑向縫正常采用圖8e 的焊接順序，希望弦距收縮更多時(shí)采用圖8g 的焊接順序，希望減小弦距收縮量時(shí)，采用圖8f 的焊接順序，焊縫順序如圖8h 所示。

圖8 焊接順序

4 結(jié)論

（1）烏東德左岸水電站6 臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)子支架焊后外觀尺寸滿足精品要求，各結(jié)構(gòu)焊縫未發(fā)生角變形，焊縫自檢過程中，無損檢測通過率達(dá)99%～100%，較三峽電站、溪洛渡電站、向家壩電站首次自檢通過率（95%～98%）優(yōu)秀。弱約束對(duì)稱焊接工藝焊縫厚度大于40 mm 時(shí)預(yù)熱80～100 ℃，焊縫層間溫度小于200 ℃，加熱到250 ℃保溫4 h 消氫，采用跳焊、退步焊，轉(zhuǎn)子支架外觀尺寸定期監(jiān)測等控制措施，完全能夠滿足生產(chǎn)需求。

（2）烏東德轉(zhuǎn)子支架弱約束焊接工藝與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子支架約束焊接工藝相比，有以下2 點(diǎn)不同：一是取消了騎馬板添加和割除的工序；二是焊接人員盡可能對(duì)稱施焊。烏東德弱約束對(duì)稱焊接工藝較傳統(tǒng)焊接工藝存在以下優(yōu)缺點(diǎn)：焊接工期短，焊縫內(nèi)應(yīng)力較小，焊縫收縮更均勻，要求施焊人員對(duì)稱施焊，且焊接速度盡量一致，現(xiàn)場焊接過程中，對(duì)焊縫溫度控制要求較高。