小焓降薄體隔板焊后變形的分析及矯正方法

陳大巍

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著國際能源形勢日趨緊張，常規(guī)化石能源儲量日益降低、成本日益提高，發(fā)電行業(yè)對發(fā)電機(jī)組效率的要求越來越高。在這種大趨勢下，發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)越來越多地利用多級數(shù)小焓降葉片單級效率高的特性來提高汽輪機(jī)的總體效率。受到電廠廠房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響，汽輪機(jī)總體外形尺寸越緊湊、占地面積越小，則基礎(chǔ)建設(shè)成本越低。如果為了提高機(jī)組效率而采用多級數(shù)小焓降的葉片，增加級數(shù)的同時難免帶來機(jī)組總體長度的增加。為了調(diào)和這一矛盾，葉片設(shè)計(jì)過程中就必須降低弦寬，如此一來，隔板的整體厚度勢必減薄。這種薄體的隔板在焊接過程中極易變形，如果不能解決隔板焊接變形的難題，則通過增加級數(shù)來提高效率的設(shè)想就無從實(shí)現(xiàn)。

本文結(jié)合設(shè)計(jì)原理、工藝試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)踐，分析了隔板焊接變形對加工及產(chǎn)品熱效率的影響，提出了各種焊接變形的預(yù)防與矯正方法，并最終歸納整理了一些適合實(shí)際生產(chǎn)的薄體隔板變形矯正方案，降低了薄體隔板焊后變形對汽輪機(jī)通流效率的影響，在一定程度上保障了機(jī)組設(shè)計(jì)效率在實(shí)際產(chǎn)品中的最終實(shí)現(xiàn)。

1 薄體隔板焊接過程中容易產(chǎn)生的各種變形分析及其影響

1． 1 收縮變形

收縮變形主要來自導(dǎo)葉片拂配時的徑向面間隙，葉片支數(shù)越多，圓周上的總間隙值就越大。這些間隙在焊接過程中由于葉片與葉片的相互熔接貼緊而被消除，同時由于圓周長的縮小，焊后隔板的節(jié)圓直徑會隨之縮小，從而造成收縮變形。

為避免收縮變形，在拂配過程中會給予這種收縮變形一定的補(bǔ)償量，即在拂配時人為增加節(jié)圓直徑，待焊接收縮后使節(jié)圓直徑恢復(fù)設(shè)計(jì)值。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中往往缺乏有效的手段控制和檢驗(yàn)實(shí)際的徑向面間隙值。目前使用的方法為塞尺檢查，這種檢查會存在一定的假象，即只要兩支葉片的徑向面存在一定范圍的點(diǎn)接觸或者線接觸，而接觸點(diǎn)恰好位于塞尺檢查部位時，實(shí)際間隙值就無法被正確體現(xiàn)，而大于檢查結(jié)果的間隙值在焊接過程中勢必造成超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的收縮量，最終導(dǎo)致產(chǎn)生超差的節(jié)圓直徑。

收縮變形主要影響的是節(jié)圓直徑，節(jié)圓直徑的過度收縮對汽輪機(jī)通流蓋度會產(chǎn)生一定的影響，即從靜葉珊流出的汽流不能完全進(jìn)入本級的動葉汽道中（如圖1），而有部分蒸汽沖擊到動葉葉根，這種沖擊會造成流場紊亂從而產(chǎn)生渦流。這種渦流對短葉片影響尤其嚴(yán)重，因?yàn)槎倘~片本身葉高值較小，一旦產(chǎn)生渦流，汽道在高度方向受影響的比例就會很大，這種影響會對流場產(chǎn)生遮擋效應(yīng)，嚴(yán)重影響級效率。

圖1

1.2 碟形變形

所謂碟形變形指的是隔板在焊接后在軸向上外圓整體偏高而中心整體偏低，從而使本應(yīng)平整的隔板形成一種類似盤子的形狀。這種變形產(chǎn)生的原因主要是來自拂配工藝造成的內(nèi)外徑向面平行度偏差。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，每支葉片在拂配時的安裝工位均是一致的，這會有效地保障各支葉片拂配后的一致性，這種一致性利于裝配及檢驗(yàn)。但是恰恰是這種一致性使得每一只葉片的內(nèi)外徑向面的不平行度也趨于同向性，即要么進(jìn)汽側(cè)弦寬全部大于出汽側(cè)，要么進(jìn)汽側(cè)弦寬全部小于出汽側(cè)。這種差別雖然微小，但由于葉片支數(shù)多，累積起來便會使隔板的兩側(cè)徑向面間隙不均勻。這種不均勻的間隙通過熔接貼緊而被消除之后就會導(dǎo)致隔板的進(jìn)、出汽側(cè)收縮量不一致，從而造成碟形變形。

碟形變形是同時在軸向、徑向兩個方向發(fā)生變形，其中徑向的分變形與收縮變形造成的影響相同，都會造成節(jié)圓直徑的減小，從而影響級效率；而軸向的分變形則會對隔板加工產(chǎn)生一定的影響。由于前文中已經(jīng)對節(jié)圓直徑的變化的影響進(jìn)行了闡述，在此僅對軸向變形對加工的影響進(jìn)行闡釋。

眾所周知，在機(jī)械加工行業(yè)中，加工余量的選取同時受到工藝水平與生產(chǎn)成本的雙重制約。較大的加工余量會使生產(chǎn)難度降低，但同時會導(dǎo)致浪費(fèi)原材料而使成本提高；相反的，較小的加工余量節(jié)省材料，但會提高生產(chǎn)難度甚至造成產(chǎn)品報廢。碟形變形的軸向分變形會改變隔板內(nèi)外環(huán)的空間位置，導(dǎo)致其與設(shè)計(jì)狀態(tài)產(chǎn)生偏差，這種偏差往往會導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的加工余量不再滿足加工需要。而更加嚴(yán)重的變形則不但使加工余量不足，還會導(dǎo)致隔板的進(jìn)、出汽端面在加工后與葉片型線部分產(chǎn)生干涉，從而損壞葉片型線，破壞葉片的氣動性能甚至于影響隔板的安全性能。

1.3 彎扭變形

彎扭變形產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，除了之前提到的拂配間隙不均勻之外，材料自身的不均勻性、殘余應(yīng)力的不均勻性、焊接溫度的不均勻性、裝焊及熱處理過程中平臺和工裝的平整度等都會使隔板產(chǎn)生不同程度的彎扭變形。由于彎扭變形的不規(guī)律性，其對加工余量的影響尤為嚴(yán)重，因?yàn)橥较虻淖冃慰梢酝ㄟ^平移的處置方法進(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)，而異向的變形則會使隔板兩側(cè)的加工余量同時減小，這往往是造成葉片型線損壞的最大原因。

2 薄體隔板焊接變形的預(yù)防和矯正

由于薄體隔板焊接變形對隔板自身以及機(jī)組效率存在嚴(yán)重的影響，因此如何在焊接過程中預(yù)防變形、如何在焊接變形后矯正變形就顯得尤為重要。下面結(jié)合在技術(shù)處理過程中的一些經(jīng)驗(yàn)對各種焊接變形提出一些預(yù)防與矯正的方法。

2.1 變形的預(yù)防

預(yù)防焊接變形需要從各種變形產(chǎn)生的原因入手，通過完善工藝、提高操作水平等手段來實(shí)現(xiàn)。通過前文的簡要分析，我們發(fā)現(xiàn)薄體隔板的焊接變形主要源自以下幾個環(huán)節(jié)，一是拂配間隙大或者間隙不均勻，二是對拂配間隙的檢驗(yàn)缺乏有效手段，三是隔板裝焊、熱處理過程中工作平臺、工裝卡具等存在不平度。針對工作平臺、工裝卡具的不平度問題，可以通過定期的對平臺、工裝卡具進(jìn)行檢驗(yàn)、修復(fù)來解決；拂配間隙的控制與檢驗(yàn)則難度較大，一來需要拂配工人提高自身技能，二來需要采取更為有效的檢查方法代替塞尺檢查法。本文認(rèn)為可以嘗試通過涂紅丹粉進(jìn)行接觸檢查，配合塞尺法檢查間隙的方法來解決該問題。此方法可行性與實(shí)際效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

2． 2 變形的矯正

下面結(jié)合實(shí)際工作中處理的一些變形問題實(shí)例來對隔板的變形矯正方法進(jìn)行闡述。

實(shí)例一：國內(nèi)某電廠超臨界660 MW汽輪機(jī)中壓隔板收縮變形

該隔板在拂配過程中間隙控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致隔板焊接后節(jié)圓直徑小于設(shè)計(jì)值下限3.4 mm，經(jīng)過通流分析，該隔板如果用于機(jī)組中將造成葉根處高度差達(dá)到-1.2 mm，直接造成的渦流損失將影響級效率7%，屬于嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)性影響，隔板不能使用。該隔板修復(fù)方案為：1）按照隔板圖樣檢查橢圓度，如橢圓度大于1mm，進(jìn)行校形處理至橢圓度小于1mm，焊接φ40左右的十字拉筋。2）車掉隔板的進(jìn)氣側(cè)電子束焊縫余高至與母材齊平，打磨去除拉筋后按照隔板圖樣檢查節(jié)圓、橢圓度和喉部等尺寸并記錄，選取喉部尺寸較小均布的6個位置，在選取的位置將隔板平均割成6半。將分半后的隔板均布擺放到原電子束焊接工裝上檢查并計(jì)算圓周方向缺少的長度。3）在隔板切割端面補(bǔ)焊，補(bǔ)焊厚度應(yīng)滿足計(jì)算結(jié)果并留加工余量。4）將堆焊后的隔板最少量的修磨焊接坡口（雙面修磨坡口），每面隔板坡口的垂直深度不低于15 mm。5）將開好坡口的隔板放到電子束焊接工裝上，復(fù)查節(jié)圓等各尺寸滿足圖樣要求（除了修復(fù)處的汽道喉寬尺寸），壓緊壓板焊接出氣側(cè)。6）翻身，焊接進(jìn)氣側(cè)。7）焊后按照原熱處理工藝進(jìn)行熱處理。

實(shí)例二：國內(nèi)某電廠亞臨界機(jī)組高壓隔板碟形變形該隔板焊接后發(fā)現(xiàn)節(jié)圓直徑少量超差，經(jīng)進(jìn)一步檢查確定為碟形變形，同時伴隨長短軸橢圓形式的收縮變形。由于該隔板用于高壓部分，葉高較小，節(jié)圓尺寸對通流影響較大，故對其進(jìn)行修復(fù)處理。又由于該隔板節(jié)圓在長軸方向與設(shè)計(jì)值相符，而短軸方向小于設(shè)計(jì)值，且軸向加工余量經(jīng)劃線證明滿足加工需要，故決定不進(jìn)行校型，直接通過切中分面后補(bǔ)焊中分面的方式修復(fù)，方案為：1）車掉隔板的進(jìn)氣側(cè)電子束焊縫余高與母材齊平，選取喉部尺寸較小的對稱位置作為隔板中分面，在選取的位置將隔板割開。將分半后的隔板擺放到原電子束焊接工裝上檢查并計(jì)算圓周方向缺少的長度。2）在隔板中分面補(bǔ)焊，補(bǔ)焊厚度應(yīng)滿足計(jì)算結(jié)果并留加工余量。3）加工補(bǔ)焊后的中分面，使短軸方向節(jié)圓直徑滿足圖樣要求。

3 結(jié)語

經(jīng)過技術(shù)處理后，變形隔板節(jié)圓恢復(fù)至圖樣要求尺寸，既糾正了出汽面積偏差，又將通流蓋度調(diào)整到較為理想的狀態(tài)，有效地減小了汽流沖擊損失和湍流損失，并防止湍流產(chǎn)生的渦旋遮擋汽道。因此經(jīng)過處理后的隔板能夠有效保障級效率，對機(jī)組整體經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生良性影響。