巨型水輪發電機組蝸殼焊接的一種新方法

陳　歡，占梁梁（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610072）

巨型水輪發電機組蝸殼焊接的一種新方法

陳歡，占梁梁
（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610072）

摘要：針對大型水電站巨型機組金屬蝸殼傳統焊接工藝存在的問題，探索蝸殼焊接新工序。通過在溪洛渡水電站右岸電站蝸殼焊接試驗基礎上，提出了一種蝸殼焊接新方法，優化了焊接工序，改善了工作環境和保證了焊接質量的穩定，同時將傳統工藝與新工藝的蝸殼焊縫進行現場應力試驗對比，說明了新方法在質量上是可靠的。

關鍵詞：新方法；水輪發電機組；蝸殼焊接

1　概述

溪洛渡水電站是目前中國第二大水電站，電站總裝機容量為13 860MW，共裝有18臺單機容量77萬kW的水輪發電機組。電站運行水頭為154.6m 至229.4m。水輪機蝸殼是引水管路中重要的承壓部件，蝸殼焊接質量影響著機組安裝質量。溪洛渡水電站蝸殼材質為B610CF和ADB610D，板厚為29mm 至90mm，管節28至35節，拼裝難度高，焊接填充量大，同時由于蝸殼焊接過程中需預熱到120℃，傳統的焊接工藝要求先焊環縫再焊縱縫，縱縫焊接時，蝸殼已經形成了一個封閉腔，內部空氣流動差、溫度高，焊工中暑現象時有發生，導致焊接質量也難以控制。這便引起了地下廠房巨型機組施工過程中的一個安全、環保和質量矛盾。

2　ADB610D新的焊接工序-兩環一蝶

為了改善工作條件，確保焊工身體健康，保證焊接質量穩定，溪洛渡水電站嘗試采用新的焊接工序，經過多次試驗和論證，提出了“兩環一蝶”的焊接順序。即在焊接完成相鄰的兩條環縫后，開始焊接環縫之間的蝸殼與座環之間的縱縫，并將此縱縫向左右側各延伸10 cm。具體操作如下：

（1）普通節焊接順序

普通管節焊接過程如圖1所示。定位節調整驗收合格后，先依次進行標記為①的環縫焊接，定位節兩側的環縫焊接完成后，進行標記為②的焊縫焊接。焊縫②焊接完成后焊接標記為③的焊縫，其他管節以此類推。在焊接蝸殼與座環之間的蝶形邊時，應將焊縫向兩側各延伸10 cm或預留10 cm，以避免在丁字接頭處形成“應力集中區”。

（2）湊合節焊接順序

湊合節焊接過程如圖2所示。湊合節調整驗收合格后，先焊接標記為①的湊合節縱縫，再焊接標記為②的湊合節與蝶形邊的焊縫，最后進行標記為③和④的湊合節環縫焊接（先焊出水邊環縫，再焊進水邊環縫）。焊接湊合節兩側的普通節蝶形邊時應注意在接頭處留出10 cm不焊，以避免在環縫與蝶形邊焊縫的丁字接頭處形成“應力集中區”。

圖1　普通管節焊接順序圖

圖2　湊合節焊接順序

3　應力測試及結果分析

為了了解新工藝對焊縫應力的影響，現場采用兩臺不同焊接工藝的蝸殼進行對比分析。1號機蝸殼及座環材質均為B610CF鋼，焊接順序為傳統的蝸殼焊接順序。18號機蝸殼材料為ADB610D鋼，座環材質為S550Q鋼，焊接順序為本文所述的“兩環一蝶”的焊接順序。兩臺蝸殼的焊接材料相同，采用手工電弧焊焊接。

3.1測試方法

蝸殼與座環的蝶形邊焊縫應力集中，容易出現裂紋。試驗中，每臺蝸殼選擇14條蝶形邊焊縫進行測試，測點布置在蝸殼的外壁，接近上下過渡板的部位（見圖3、圖4）。

（1）測試方法：壓痕法。

（2）測試設備：KJS－3型應力測試系統；應變計型號：BA120-1BA（11）-ZKY。

（3）測試原理：壓痕法采用特定壓頭壓入材料表面，通過壓痕獲得附加應力場，再根據附加應力場誘導的位移場變化信息來獲得殘余應力值。

圖3　0 1號機蝸殼殘余應力測點位置分布

圖4　1 8號機蝸殼殘余應力測點位置分布

3.2測試結果

為了便于對比，將相同或相近部位的測試數據做成折線圖，如圖5、圖6、圖7和圖8。

圖5　蝸殼上部蝶形邊焊縫殘余應力對比

圖6　蝸殼下部蝶形邊焊縫殘余應力對比

圖7　蝸殼上部約束應力對比

圖8　蝸殼下部約束應力對比

圖中：

X—平行于水流方向的應力；

Y—垂直于水流方向的應力；

+/-—拉應力/壓應力。

對殘余應力分布拆線圖進行觀察，可以發現，18號機蝸殼蝶形邊與蝸殼對接接頭的殘余應力普遍低于1號機。

就我們關心的約束應力而言，可以近似地認為，離焊縫熔合線50mm處的測點的殘余應力代表了因焊縫冷卻收縮產生的拘束應力，從約束應力對比圖中也可以看出：18號機蝸殼約束應力同樣普遍低于1號機。

4　結論

通過應力測試可以發現，采用“兩環一蝶”工藝的蝸殼，其焊縫的殘余應力等同或低于傳統工藝焊縫。同時，由于焊接過程極大的改善了地下電站大型機組施工環境，有助于工人身心健康，提高了勞動生產效率、促進了焊接質量提升。

參考文獻：

[1]DL/T 5070-2009.水電水利工程水輪機金屬蝸殼制造安裝

及焊接工藝導則[S].

中圖分類號：TK730.3+12

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0061-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.017

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：陳歡（1986-），男，助理工程師，主要研究方向：大型水輪發電機組安裝技術。