活動導葉典型結構及材料焊接分析

湯 鴻，姚伯華，蔣榮華，羅世材，李一鵬

（1.五凌電力有限公司白市水電廠，湖南 長沙 410000；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

0 引言

活動導葉作為用來引導與截斷水流和調節通過水輪機的流量、控制負荷的主要部件。不管是活動導葉流體力學研究還是制造結構優化等都是國內外學者研究的重點領域。

活動導葉端面以密封條式密封居多，其立面密封設計一般焊接馬氏體不銹鋼抗磨材料，以增強其抗汽蝕、抗銹蝕能力及立面密封性能。

本文通過大量發電機組活動導葉調查研究，總結水輪機組活動導葉的結構特點，選取目前業內幾種非常典型的水輪機組活動導葉結構形式介紹分析，并對活動導葉中1Cr13、04Cr13Ni5Mo兩種使用廣泛的馬氏體材料進行比對分析，及詳細焊接工藝表述，以此為活動導葉的結構選型、材料焊接工藝處理提供借鑒與參考。

1 典型活動導葉結構形式

1.1 活動導葉結構及用材

活動導葉體的體積是活動導葉制造的重要依據，其制作工藝一般分為鑄造、焊接兩種結構形式。

早期小容量機組導葉尺寸小，一般采用整體單一鑄造工藝?，F階段，導葉體厚但矮小的抽水蓄能式機組、導葉體尺寸大但較薄的貫流式、軸流式機組，適合采用整體鑄造的結構形式。

隨著機組容量的增加，大型立式機組的活動導葉的體積增大，采用單一的鑄造工藝，不僅會增加制造成本，而且還會增加頂蓋、座環的強度要求及成本。因此，這種大型立式機組導葉，基本采用內部中空的焊接結構。

焊接結構活動導葉的制造中，隨著相關壓板工藝的不斷發展，普遍性使用了具有良好的強度和韌性04Cr13Ni5Mo（S135）材 料，04Cr13Ni5Mo焊 接 結構的導葉近年來在許多大型水輪機組（如三峽、龍頭石、溪洛渡等）中采用。

除 部 分ZG06Cr13Ni4Mo、ZG0Cr13Ni4Mo等 低碳、超低碳不銹鋼整鑄活動導葉外，整鑄合金鋼活動導葉為提高焊接結構活動導葉的抗汽蝕能力、出水邊的抗銹蝕能力，有效提高導葉的立面密封性能，一般在導葉噬合點處焊接1Cr13、04Cr13Ni5Mo等馬氏體不銹鋼抗磨材料接頭。

以下介紹了三種典型的活動導葉結構及選材。

1.1.1 ZG20SiMn鑄造與1Cr13組合接頭結構

某水電站混流式機組，單機140 MW，額定水頭44 m，最小水頭39 m，活動導葉24塊，活動導葉本體采用ZG20SiMn整體鑄造，為提高導葉出水邊抗磨損、抗汽蝕性能，活動導葉出水邊立面采用1Cr13材料焊接接頭形式。

圖1 鑄造活動導葉及接頭

1.1.2 04Cr13Ni5Mo板材及接頭結構

某水電站軸流轉漿式機組，單機165 MW，額定水頭30 m，最小水頭20.1 m，活動導葉采用內部中空的04Cr13Ni5Mo翼型板焊接結構，出水邊接頭使用同材質焊接。

圖2 活動導葉焊接結構與接頭

1.1.3 04Cr13Ni5Mo板材拼焊結構

某水電站單機150 MW，額定水頭26.5 m，活動導葉取消了出水邊的焊接接頭形式，直接采用04Cr13Ni5Mo軋制板材拼裝焊接。

從三種結構形式來看，制造工藝主要分整體鑄造及板材焊接結構。除整鑄不銹鋼活動導葉外，考慮出水邊的抗汽蝕、抗銹蝕能力及立面密封性能，出水邊接頭使用了1Cr13、04Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼材料焊接。

隨著加工工藝的發展，04Cr13Ni5Mo鋼板整體成型及焊接拼裝都可能。從圖3直觀對比可以看到04Cr13Ni5Mo軋制板材直接拼裝工藝，所需焊接量更少，有效杜絕出水邊噬合點焊接裂紋出現。

圖3 拼焊活動導葉

2 1Cr13與04Cr13Ni5Mo材料比較

1Cr13不銹鋼在溫度30℃以下的大氣、蒸汽、淡水等介質中,具有良好的耐腐蝕性能，且價格便宜，因而該類不銹鋼在機械制造中得到廣泛地應用。由于1Cr13不銹鋼的塑性和韌性都差，冷卻時易在焊縫上和熱影響區產生裂紋，因此需要緩慢地冷卻焊縫和熱影響區及過熱區。

04Cr13Ni5Mo具有高韌性低碳鋼馬氏體，并通過鎳、鉬等合金元素的補充強化，具備厚截面尺寸及良好的焊接性能，是水輪機設備的常規用材，符合活動導葉立面剛性密封的使用特點及要求。

結合對大中型立式水輪機組活動導葉情況統計，力學性能、焊接性能更優的04Cr13Ni5Mo材料應用普遍，嚴格控制壓板制造、焊接前及過程中的預熱、焊后熱處理等制造工藝，提高焊縫塑性和韌性，并通過優化設計，減少運行中水流急振等作用影響，基本杜絕了金屬缺陷的發生。

經退火處理的兩種馬氏體不銹鋼材料力學性能對比見表1。

表1 1Cr13與04Cr13Ni5Mo力學性能對比

相對來看，04Cr13Ni5Mo具有更好的強度和良好的韌性、可焊接性及耐腐蝕性能，因此在水輪機組轉輪及轉輪下環已大量使用（1Cr13與04Cr13Ni5Mo化學成分對比見表2）。

表2 1Cr13與04Cr13Ni5Mo化學成分（質量分數）/%

3 04Cr13Ni5Mo與1Cr13導葉焊接工藝

3.1 04Cr13Ni5Mo焊接工藝

04Cr13Ni5Mo作為一種超低碳馬氏體不銹鋼，實際生產中此類低碳馬氏體不銹鋼經常出現的拼接焊縫冷成形時斷裂及焊縫延時宏觀開裂問題，焊接前及過程中的預熱、提高焊縫理塑性和韌性的焊后熱處理要求是保證焊接過程中防止冷裂紋產生的關鍵措施。

采用較通行的ASME《鍋爐及壓力容器規范》第IX卷“焊接和釬接評定”，某廠母材選用厚40 mm的04Cr13Ni5Mo鋼，接頭形式、焊接層數及焊道順序如圖4所示。

圖4 焊接簡圖

3.1.1 焊材選擇

采用哈爾濱焊接研究所研制的HS 13/5L焊絲進行焊接，焊絲化學成分見表3。

表3 HS 13/5L焊絲化學成分（質量分數）/%

3.1.2 焊接工藝參數

（1）焊接方式及材料：焊接方式GMAW，選用HS 13/5L焊絲，焊絲直徑1.2 mm，保護氣體95%Ar與5%CO2混合氣體。

（2）焊接工藝參數：電源極性為直流反接，電弧電壓為24～30 V，焊接電流為140～220 A，焊接速度9～14 cm/min。

（3）預熱：最低預熱溫度100℃，最大層間溫度250℃。

（4）焊后熱處理：600±15℃，保溫時間8 h。

焊后應按照ASME IX-2010標準檢驗，彎曲試驗、拉伸試驗、夏比沖擊試驗，試驗結果如表4。

表4 04Cr13Ni5Mo力學性能

從其他試驗也證實，04Cr13Ni5Mo超低碳馬氏體不銹鋼焊接工藝中，在600℃×8h熱處理后，焊縫及熱影響區彎曲和沖擊性能得到明顯改善，有效避免焊態焊縫力學性能太差，導致冷成形時在焊縫處斷裂。

04Cr13Ni5Mo活動導葉在制造或大面積金屬缺陷處理時，應嚴格控制相關熱處理工藝。

3.2 1Cr13材料及焊接處理工藝

由于1Cr13不銹鋼塑性和韌性較差，冷卻時易在焊縫和熱影響區產生裂紋，需要緩慢冷卻焊縫和熱影響區及過熱區。

在滿足焊接性能的條件下考慮選用奧氏體鋼焊接材料，使焊縫金屬易成為奧氏體組織來減小淬硬傾向和冷裂紋的敏感性，提高接頭的抗裂性能。

1Cr13焊后無需熱處理，使得該種材料的活動導葉，在不能進行高溫預熱和熱處理的情況下，方便現場修復處理。

以某電廠活動導葉大面積裂紋現場處理焊接工藝介紹，活動導葉結構形式、材質見1.1.1章節描述，活動導葉出水邊裂紋情況見圖5。

圖5 活動導葉大面積裂紋

（1）削槽

因導葉出水邊嚙合點在負壓側，故焊接槽優先在負壓側開挖處理，雙面處理時負壓側的削挖深度約為2/3厚度稍大，以保證焊接變形盡量向嚙合側而減少補焊和修磨量；

削槽長度不得超過300 mm，對于連續長度超過300 mm的缺陷，必須分段處理，待前段焊接完成后才能磨削相鄰的焊接槽；

焊接槽形狀必須有益于焊接，不易產生焊接缺陷，即要求底根有圓角、端側有角坡度。

焊接槽磨削成型后PT檢查，確認無裂紋，單面處理時側邊和底部均無殘余裂紋，雙面處理時兩側邊無殘余裂紋。

（2）防變形板

防變形板t40 mm×200 mm×300 mm以及其他小型板的加固，在焊槽的背面，至少3段加固焊接，焊腳6～8 mm左右、長度不小于25 mm，距離出水邊刀口約10～20 mm。并且要求分段焊接在出水邊側。

圖6 防變形板焊接

（3）焊接順序

1Cr13現場修復性焊接工藝中，預熱溫度是增加材料可焊性的關鍵因素，在此次修復中，考慮1Cr13焊接需要預熱，而ZG20SiMn不需要預熱，但是現場不具備預熱條件和預熱會造成更大變形及相關聯零件的損傷，故采用先焊接ZG20SiMn側焊道，每層均最后焊接與1Cr13的熔接焊道，利用先焊焊道的焊接輸入熱量，達到1Cr13側的預熱效果（保證溫度不低于60℃），即2、5焊道最后焊（其余同），如圖7所示。

圖7 焊接順序

縱向和橫向聯合處理時，應按上述先處理縱向，再及時利用余熱處理橫向。

橫向處理時：第一層的打底焊道的焊接應減慢焊接速度，比正常降低10%～15%，以提高熱量輸入，提高工件溫度而降低冷卻速度。

（4）焊接工藝

焊前采用火焰加熱預熱至80℃，焊接過程中采用振動消應。

裂紋嚴重的活動導葉焊接采用氣體保護焊FCAW，焊絲采用Φ1.2的TFW-309L不銹鋼藥芯焊絲；其他位置裂紋采用氬弧焊GTAW焊接，焊絲采用ER309L。焊接采用多層多道分段焊接方式,每段焊接長度約300 mm。

圖8 活動導葉現場施焊圖

焊接位置為立焊3G/立向上，焊接電流140～210 A，電壓21～26 V，線能量λ≤25 kJ/cm，層間溫度≤150℃；焊接極性采用直流反接（DCEP）；焊接采用窄焊道焊接，避免過大的橫向擺動導致收縮變形大，嚴格控制焊道寬度≤20 mm，厚度≤8 mm；控制焊道成型比Φ=寬度/厚度=1.3～2.0倍；收弧時稍作停頓，填滿弧坑，防止產生弧坑裂紋。

焊接后24 h進行PT、UT檢查合格。

4 結語

活動導葉制造工藝主要分鑄造及板材焊接結構，是最難制造的水輪機部件之一，能夠充分體現出制造的設計與工藝水平，尤其是焊接結構的導葉。大中型水輪機組活動導葉一般采用內部中空結構的活動導葉。

目前，活動導葉除整鑄不銹鋼活動導葉外，考慮出水邊的抗汽蝕、抗銹蝕能力及立面密封性能，活動導葉廣泛使用了1Cr13、04Cr13Ni5Mo等馬氏體不銹鋼材料焊接接頭。

活動導葉用材中，使用1Cr13材料接頭的活動導葉，在不能進行高溫預熱和熱處理的復雜情況下，結合選用奧氏體鋼焊材，具備現場施焊的可能。

結合對大中型立式水輪機組活動導葉情況統計，力學性能、焊接性能更優的04Cr13Ni5Mo材料應用普遍，嚴格控制壓板制造、焊接前及過程中的預熱、焊后熱處理等制造工藝，提高焊縫理塑性和韌性，并通過優化設計，減少運行中水流急振等作用影響，基本杜絕了金屬缺陷的發生。

隨著工藝發展，尤其04Cr13Ni5Mo軋制板材制造技術的提升，取消焊接接頭、活動導葉直接拼裝工藝所需焊接量更少，進一步有效杜絕出水邊噬合點焊接裂紋出現。

大中型水輪機組活動導葉在選型中可適當參考文中表述的相關結構特點；文中對1Cr13、04Cr13Ni5Mo的焊接工藝分析，對現有發電廠相似類型活動導葉缺陷處理提供借鑒。