向家壩水輪發電機組座環焊接及變形控制

劉春水

（泰戈特（天津）工業技術有限公司，天津 301712）

向家壩水輪發電機組座環焊接及變形控制

劉春水

（泰戈特（天津）工業技術有限公司，天津 301712）

從向家壩水輪發電機組座環結構特點出發，分析其變形趨勢，通過采取適當的工藝措施，控制焊接變形，提高生產率，節約成本，使產品完全達到客戶滿意。對今后類似的水輪發電機組工藝措施的制定提供一定參考。

立式水輪發電機組；座環；焊接；坡口；預裝；預熱

0 前言

隨著經濟的飛速發展，中國的能源需求逐年增長，開發水能源，建立大型水電站成為滿足需求的趨勢，因而，適于高水頭的混流式水輪機被廣泛應用。機組的功率增大，必然導致整個機組的重量增加，而座環是水輪機機組的關鍵部件，它承受機組的重量、渦殼上部混凝土的重量、水輪機水推力及蝸殼內部水壓力。座環固定導葉及上、下環板的板厚超過200mm，焊縫要求是全熔透的一級焊縫，焊縫的焊接質量及控制工件的變形是整個制造過程中的關鍵。尤其是目前我國出力最大的機組—向家壩機組。

1 電站運行參數

向家壩電站運行參數見表1。

表1 電站運行參數

2 座環生產方式

因向家壩座環直徑較大，采用分瓣制做，廠內預裝，工地焊接的方法，圖1、圖2為三維立體示意圖及分瓣示意圖。

圖1 座環三維立體示意圖

圖2 座環三維分辨示意圖

3 座環生產過程

向家壩機組為超大型水輪機組要保證高質量的完成產品的制做，就要制定詳細的生產流程工藝，為保證達到生產要求此項目重點分為如下步驟來實施。

3.1 大厚板坡口設計

由于厚板焊接工程量大、難度高，坡口形式的設計對于焊接質量起著十分重要的作用，是能否達到設計要求的關鍵。坡口小，一方面，易形成窄而深的形式，焊縫成型系數偏小，影響一次結晶，容易產生區域偏析，在拘束應力大的前提下，進而導致焊接熱裂紋的產生；另一方面，焊工不便操作，易產生焊接缺陷，難于達到一級焊縫的要求。

坡口加大，不僅焊接量大大增加，拉長生產周期，焊縫的焊接殘余應力也大大增加，這對焊接變形的控制極其不利，同時，也給焊縫產生冷裂紋埋下隱患。

經過模擬試驗，最后確定向家壩座環固定導葉的坡口為雙面半U型坡口，并且，為減少生產總成本，不采取機加工雙面半U型坡口，而采用人工鏟磨的方法。實踐證明坡口設計符合生產要求，做到了坡口的科學性、合理性。

3.2 坡口形式示意圖（見圖3）

圖3 坡口示意圖

3.3 固定導葉上、下端面兩側留裝配基準面

在固定導葉上、下端面兩側分別留50 mm長的裝配基準面，坡口處與環板間留3 mm間隙，確保焊接收縮量（見圖4）。

50 mm長的裝配基準面在加工固定導葉水力型線時，由機加工完成，減小誤差，以保證上、下兩面的平行度，使固定導葉與上、下環板垂直。

基準面的作用：

（1）便于裝配

在組裝時，可以使固定導葉兩側的基準面與環板上的1：1實樣線對齊，很容易找正。

（2）控制焊接收縮量，減小焊接變形

圖4 導葉端面兩側裝配基準面示意圖

基準面處與上、下環板無間隙接觸，在焊接開始階段，即未去除基準面之前，固定導葉部分起到剛性支撐的作用，因焊接開始階段變形最大，以基準面為指引可以有效地控制焊接變形，使得總的焊接收縮量也能保證在預留的范圍內。

3.4 焊前準備

（1）焊前對坡口及坡口兩側約50 mm范圍內進行清理打磨，徹底清除油污、鐵銹、灰塵等雜質，使之露出金屬光澤。

（2）對坡口表面及附近50 mm范圍內，做PT探傷檢驗，檢驗合格后，準備做預熱。

（3）采用遠紅外電加熱的方法進行預熱

厚板焊接的關鍵是防止焊接裂紋的產生，適當的預熱溫度、層間溫度、后熱溫度是防止裂紋產生的關鍵，特別是強度較高的大厚板焊接尤為重要。這是因為準確控制預熱溫度、層間溫度、后熱溫度將直接影響控制冷裂紋產生的三要素：即擴散氫含量、淬硬傾向和拘束應力。

焊接前，根據焊接工藝評定報告和本座環具體結構等，確定預熱溫度為不小于80℃，層間溫度不大于250℃，采用遠紅外電加熱的方法來保證溫度符合要求。

焊前預熱的范圍為坡口邊緣起300 mm或板厚的3倍，預熱溫度的檢測在焊縫兩側50 mm范圍內，使用遠紅外檢測儀檢測溫度。

（4）從焊接開始至消氫前，焊縫溫度都不低于預熱溫度。

同火焰加熱方式相比較，遠紅外電加熱有：溫度控制準確可靠，可以控制升、降溫速度的優點。最重要的是，采用電加熱的焊縫全部受熱均勻，從而避免了火焰加熱的不均勻同焊接過程中的受熱不均勻疊加而產生的附加應力，有效地防止了焊接裂紋的產生。

由于采用了遠紅外電加熱方法，減少了厚鋼板的溫度差，因此，也減少了由于不均勻加熱和冷卻所帶來的附加應力，對提高厚板焊接質量十分有效。

3.5 焊接工藝要點

（1）每個固定導葉安排一名焊工，幾名焊工在同一瓣上同時焊接，使各條焊縫焊接量相當。焊接質量相似。

（2）采用藥芯氣體保護焊（FCAW）進行焊接，焊接規范如下：

焊接電流：140～320 A

電弧電壓：20～32 V

按焊接工藝評定結果，焊接熱輸入量最大控制在35 kJ/mm內。

采用多層多道焊，要求焊道擺幅寬度不超過20 mm，焊層厚度的控制范圍為2.0～3.5 mm，在焊接過程中，層間溫度不超過250℃。

（3）安排合理的焊接順序，控制焊接變形。

首先焊接固定導葉與下環板的正弧面，每個固定導葉布置一名焊工，如向家壩座環，分4瓣，每瓣有7個固定導葉，安排了7名焊工同時焊接。焊接時分段進行，采用退步焊，并遵從單層單道的原則，焊肉厚度達到約20 mm時，準備清根。

反面碳弧氣刨清根之后，用砂輪打磨掉滲碳層，以露出金屬光澤，之后，做高溫PT探傷檢查清根處，合格后，焊接，填滿到坡口深度約1/3。葉片與上環板的焊接順序與下環板相同，并且上、下兩側對稱焊接。

對固定導葉進、出水兩側的裝配基準面，此時用碳弧氣刨清除，氣刨一側后，高溫PT檢驗，合格后，焊接，焊接量與中間部分相當時，碳弧氣刨清除另一側的基準面部分，這時，進出水兩側支撐部分與中間部分可同步做碳弧氣刨清根，高溫PT檢驗，合格后，焊接，進出水邊兩側及上、下環板兩側焊縫對稱焊接。

在上述碳弧氣刨清根之后，同樣要求用砂輪打磨掉滲碳層，以露出金屬光澤。之后，做高溫PT探傷檢查清根處。

焊接坡口填滿后，焊接圓弧角，并焊接出3 mm的鏟磨余量，以保證焊接、鏟磨后，焊角部分符合設計圖紙要求。

焊接過程中，控制焊接質量，避免弧坑、未熔合、氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

在上述焊接過程中，定期檢測并記錄固定導葉與上、下環板的垂直度，并根據變形情況，及時調整焊接順序，使固定導葉與上、下環板的垂直度符合設計要求，在向家壩座環的焊接過程中，四瓣座環共28個固定導葉與上、下環板的垂直度誤差為0～2 mm，小于設計圖紙要求的最大3 mm，客戶對質量非常滿意。

（4）錘擊消除應力。

除定位焊、打底焊（前3層）和焊縫蓋面不得錘擊消除應力外，其余每焊一層，應使用風鏟消除焊接應力，消除應力的效果應使焊縫表面屈服，方可施焊下一層，消除應力所使用的風鏟的錘頭部，應磨成圓形，其圓弧半徑應≥2 mm，必須在焊縫焊完后，即焊縫在熱狀態，立即進行錘擊消除應力。

實踐證明，錘擊消除應力是焊接過程中最好的消應力手段，對應力的消除有著明顯的效果，起到了至關重要的作用，是其它消應力方法所無法替代的。所以，在焊接過程中，嚴格執行錘擊消除應力工藝以避免應力累積。

3.6 后熱—消氫處理

對于大厚板的焊接，后熱消氫處理也是非常關鍵，當焊接完畢后，焊縫溫度未低于預熱溫度前進行，消氫溫度為250～300℃，保溫時間為4 h，升溫和降溫速度不宜過快，應低于50℃/h，以減少產生氫致冷裂紋的可能性。

后熱消氫處理采用遠紅外加熱設備完成，采用溫控設備自動控制，自動控制溫度的升、降速度、最高溫度以及保溫時間。

3.7 焊后退火處理

因座環的板厚相當厚，焊接量很大，雖然采取了上述減小焊接應力等措施，但在焊縫內部還存在較大的焊接殘余應力，為進一步消除焊接殘余應力，避免產生延遲裂紋，需進行焊后退火處理。

焊后退火處理在消氫處理并降至室溫48 h后，經過PT、UT無損檢測合格后的前提下實施。

退火處理在熱處理爐中整體進行。

處理爐的尺寸為：寬8 m×長12 m×高6 m。

熱處理前，在工件及爐中不同部位布置熱電偶，裝爐和出爐溫度將不超過400℃。升溫速度不超過50℃/h，降溫速度不超過40℃/h，最高溫度580±15℃，保溫4 h，熱處理溫度曲線自動記錄，存檔。

3.8 無損檢測

焊縫質量檢測采用超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）和目視檢測（VIS）相結合的方法。

焊接前應對坡口進行著色探傷（PT）檢驗。

清根后應對清根部位進行著色探傷（PT）檢驗。

消氫處理溫度降至室溫48 h后，做超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）檢驗。

熱處理之后，做超聲坡探傷（UT）、著色探傷（PT）檢驗。

最終檢驗合格之后，廠內預裝。

4 結論

現在本公司每年生產近10臺混流機組的座環，每個座環的制做過程基本都參考如上所述的相關流程進行，在制做過程中，嚴格執行焊接工藝，對焊接過程實施檢測，控制焊接變形，尤其是向家壩、三峽的座環，無論是內部焊接質量還是整體幾何尺寸等都完全符合要求。客戶非常滿意。

當然，向家壩作為目前國內最大出力機組，它的座環焊接工藝的制定是生產中非常重要的一環，需要我們考慮的東西很多。

向家壩座環焊接工藝的制定是一個復雜的工程，但向家壩座環焊接作為一個立式水輪發電機組中比較典型的大結構厚板焊接，還有很多地方需要我們繼續研究和改進。

[1]GB/T 8564-2003水輪發電機安裝技術規范[S].

[2]GB/T 7894-2001水輪發電機基本技術條件[S].

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊[M].2版.北京：機械工業出版社，2001.

[4]ASME IX2007焊接和釬焊評定標準[S].美國機械工程師學會.

TK730.3+13

B

1672-5387（2017）01-0035-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.011

2016-08-22

劉春水（1982-），男，從事機械設計工作。