可逆式水泵水輪機蝸殼分瓣合縫面過渡板缺陷處理

趙貴前，張永杰，馮東磊，馬世浩

（1.國網新源建設有限公司，北京市 100053；2.國家電投集團五凌電力有限公司山西分公司，山西省忻州市 030024）

0 引言

可逆式水泵水輪機蝸殼作為抽水蓄能機組的重要導水部件，通常采用金屬蝸殼，其尺寸較大，一般分兩瓣在工廠進行蝸節焊接掛裝后，再發運到電站安裝現場進行整體組裝焊接[1]。

可逆式水泵水輪機蝸殼分瓣合縫面位置由4塊過渡板和1個湊合蝸節組成，過渡板是在工廠內裝焊并預留合縫配合面，以便在電站安裝現場進行與湊合節的整體組焊，在工廠實際的機加工和焊接過程中很難控制合縫面位置過渡板的錯牙，為此，在合同技術規范中和設計圖紙都有對錯牙的明確要求標準值。

某大型抽水蓄能機組可逆式水泵水輪機蝸殼分瓣合縫面位置過渡板的錯牙設計圖紙要求不大于2mm，合同規范要求不得大于板厚的10%且不大于4mm，實際測量錯牙達到5～20mm，已超過設計圖紙和合同技術規范要求，為了達到要求，工廠采用了堆焊處理的方法，堆焊產生的缺陷，在出廠前沒有檢測到，在電站現場裝焊過程中，發現了缺陷。

1 合縫面過渡板錯牙缺陷的分析與處理

該抽水蓄能機組可逆式水泵水輪機蝸殼采用SX-780CF鋼板制作，最大厚度56mm，最小厚度25mm，設計壓力10.3MPa。蝸殼分瓣合縫面位置各過渡板厚度56mm，其錯牙情況見圖1，其中，過渡板①與③、過渡板⑤與⑦、過渡板⑥與⑧錯牙在5～10mm，而過渡板②與④錯牙最大達到20mm。

圖1 錯牙情況示意圖Figure 1 Schematic diagram of the misplace

經過現場調查分析，錯牙超出合同技術規范要求的主要原因有以下3個方面：一是焊接過程中，焊接順序不對稱，焊接量不對稱；二是防變形拉筋支撐不到位，導致焊接變形不受控；三是焊接人員與機加工人員，采用的基準有偏差。

工廠針對過渡板錯牙缺陷處理采用了堆焊的方式進行表面修復找平，根據GB 150或ASME標準[2]，堆焊過渡比例Y/L≤1：3（L≥3Y），工廠內按L≥5Y進行堆焊處理，見圖2，然后清理打磨找平，無損UT+MT檢測，沒有檢測出堆焊缺陷。

圖2 廠內錯牙堆焊示意圖Figure 2 Schematic diagram of surfacer welding of misplace in plant

2 堆焊存在的缺陷分析

在工廠采用堆焊處理合縫面位置的過渡板錯牙時，錯牙不嚴重只需一層堆焊，錯牙嚴重則需多層堆焊，堆焊采用了氣體保護焊。對于一層堆焊，很容易檢查出堆焊缺陷并及時全面處理。過渡板①與③、過渡板⑤與⑦、過渡板⑥與⑧錯牙在5～10mm（見圖1），錯牙較輕，堆焊一層，通過表面清理檢查，無損檢測與缺陷處理，這3個區域的堆焊最終達到質量合格。過渡板②與④錯牙最大20mm（見圖2），錯牙嚴重，需要多層多道焊，結果出現堆焊缺陷，其主要原因是層間清理、檢查不到位，導致層與層之間產生夾渣、氣孔類缺陷。堆焊缺陷沒有及時檢測發現的原因有二：一是過渡板②堆焊區域較大，焊工按檢查的要求在劃定的區域堆焊，鉚工在堆焊未冷卻至室溫的情況下，進行尺寸測量，由于熱態下與冷態下尺寸數據偏差，導致記錄需堆焊尺寸與實際堆焊尺寸不一致，這就給無損檢測的范圍造成偏差，部分堆焊區域沒有進行無損檢測而沒有發現缺陷的存在；二是對于存在棱角邊的區域是UT（TOFD）探傷盲區[3]，而堆焊區域存在棱角邊，導致在工廠內UT（TOFD）未發現棱角邊區域的缺陷。

當發貨到達電站安裝現場后，分瓣合縫面位置湊合蝸節與過渡板進行了焊接，焊接成整體后進行無損檢測，此時的無損檢測范圍擴大到了原來工廠內錯過的探傷部位和UT（TOFD）探傷盲區內，這樣就發現了過渡板②坡口邊緣區域局部有密集性氣孔，夾渣，缺陷面積為610mm×190mm，深度為5mm，見圖3。

圖3 錯牙處理堆焊缺陷情況示意圖Figure 3 Schematic diagram of surface welding defects in the treatment of miplace

3 在電站安裝現場對缺陷的處理工藝

由于抽水蓄能機組可逆式水泵水輪機蝸殼所用的鋼材SX-780CF為低合金高強鋼，不宜進行再次堆焊返修，同時加工部件存在探傷盲區，于是，電站安裝現場針對堆焊缺陷區域過渡板②，采用局部更換的方式進行缺陷的消除，更換區域尺寸見圖4，更換所用補板鋼材仍然是SX780CF，厚度為56mm。局部更換切割范圍覆蓋焊縫熱影響區，以避免焊縫二次返修，并保證兩平行焊縫間的間距不小于100mm；過渡板切割替換會形成封閉焊，導致應力集中，為此，對局部更換切割窗口及其補板的4個角采用圓角，圓角的半徑為50mm。

圖4 堆焊區域更換示意圖Figure 4 Schematic diagram of surface welding area replacemen

補板焊接前要對更換切割區域相關范圍的分瓣合縫面位置湊合蝸節和過渡板母材按鋼板原材料標準作UT+MT探傷復查，對電站工地所完成的焊縫按ASME標準作UT+MT探傷復查，確保補焊相關區域母材和焊縫沒有缺陷，同時對補板進行尺寸加工，其過流面和非過流面也作UT+MT探傷，確保補板母材質量合格；另外，工藝拉筋、支撐、工藝吊耳、搭塊等工藝用料采用Q345-A或B，與蝸殼本體焊接前，在工藝用料對應區域蝸殼本體側用與SX780CF匹配的焊接材料（AWS A5.5 E11018-G）進行堆焊過渡，厚度為5mm，以防止對蝸殼母材造成碳污染；焊縫坡口的間隙設置在0～5mm，過流面焊縫錯牙控制在不大于2mm，定位焊長度80mm，深度20mm，間隔200mm[4]，缺陷處理工藝流程見圖5。

圖5 缺陷處理工藝流程圖Figure 5 Process flow chart of defect treatment

補板焊接嚴格工藝控制，對焊工和無損檢測人員資格進行了嚴格審核，電站業主、施工單位和工廠等相關方共同討論并制定了專門的工藝手冊，其中的工藝主要參數見表1。

表1 焊接的工藝主要參數Table 1 Main parameters of welding process

4 總結

經過這次缺陷處理總結后，為了避免今后再出現類似缺陷，可逆式水泵水輪機蝸殼分瓣面位置過渡板錯牙，在工廠處理，主要采用有兩種方法：一種是盡可能避免在母材表面進行堆焊，采用X型坡口，在坡口內焊接過渡，處理錯牙，具體見圖6；另一種是上下過渡板用整塊鋼板，先不分割焊接，各自整塊焊接后，再從分瓣位置割開，做好坡口，發運到工地。還有一種就是借鑒常規混流式機組做法，對于蝸殼分瓣面位置過渡板裝焊放在電站工地進行，錯牙能夠控制在標準范圍內，這樣就可避免在工廠再行堆焊處理超標錯牙引發焊接缺陷。

圖6 采用X型坡口，在坡口內焊接過渡示意圖Figure 6 Schematic diagram whitch use X groove to weld transition in groove

工廠制造過程中，可逆式水泵水輪機蝸殼分瓣面位置過渡板裝焊錯牙一旦出現超標，是否需要堆焊，必須組織電站業主、施工單位等相關方專業人員進行評審后確定，目的是避免堆焊再次產生缺陷，對母材造成傷害，防止將缺陷帶到電站安裝現場。首先，對錯牙打磨減薄部件應力值要經過設計計算，如果經過計算，滿足設計技術要求，不影響使用，可不進行堆焊處理。如果確實需要堆焊處理，對于母材為SX780CF要注意、做好如下措施：①堆焊的焊接方法采用常規氣體保護焊或手工電弧焊（φ3.2以下焊條）進行堆焊[5]；②對于需要堆焊2層及以上部位，應逐層打磨并進行檢查，特別注意在UT探傷盲區[6]；③對需堆焊部位，需定量描述堆焊區域，并做好堆焊過程記錄；④對于堆焊焊工，加強技能培訓，對焊工操作技能提出特殊考核要求；⑤控制單件成型質量，要求相鄰口面組合交檢，避免公差累積疊加。