工地現(xiàn)場大型轉(zhuǎn)輪焊接

1、工地現(xiàn)場大型轉(zhuǎn)輪焊接轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)組中最關(guān)鍵的部件之一制造難度大，制造精度要求高，轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量直接關(guān)系到水輪機(jī)組的運(yùn)行效率及運(yùn)行壽命。水輪機(jī)混流式轉(zhuǎn)輪由三大件組成，即上冠、下環(huán)和葉片，葉片有13片的，15片的或更多片，葉片均布于上冠和下環(huán)之間?；炝魇睫D(zhuǎn)輪通常為鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)和葉片為鑄件，然后通過焊接手段組焊成整體轉(zhuǎn)輪。圖為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)簡圖。某水電站共有 4臺(tái)17.8萬千瓦大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其轉(zhuǎn)輪公稱直徑7.0m，總高4.37m，額定水頭45m，重量150噸。轉(zhuǎn)輪全部采用馬氏體不銹鋼0Cr13Ni5Mo材料進(jìn)行制造，且轉(zhuǎn)輪需整體交貨，由于運(yùn)輸方面的限制，因此轉(zhuǎn)輪的制造只能采取工地現(xiàn)

2、場焊接的制造方案?，F(xiàn)場制造轉(zhuǎn)輪包括：部件的組裝、焊接、焊接殘余應(yīng)力的消除、檢驗(yàn)等過程。一、技術(shù)難點(diǎn)大型整體不銹鋼轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接的制造難度主要在于：整個(gè)轉(zhuǎn)輪下環(huán)由四瓣組成，在廠內(nèi)組圓精加工后分瓣發(fā)運(yùn)至電廠，并在工地現(xiàn)場組焊成整圓，且焊后不再進(jìn)行下環(huán)過流面的機(jī)械加工，但需保證下環(huán)的圓度公差在±5mm的范圍內(nèi)，以保證工地現(xiàn)場轉(zhuǎn)輪葉片的裝配需要。如何控制焊接變形、保證下環(huán)組焊后的尺寸精度將是轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接時(shí)需要解決的難題之一。焊接葉片與上冠、下環(huán)焊縫的難度是由于接頭的幾何形狀復(fù)雜(T型接頭),焊接后尺寸精度要求較高;葉片厚度較大（接近200mm）而且焊接質(zhì)量要求高(特別是在葉片進(jìn)水邊和出

3、水邊處)，不銹鋼轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接時(shí)將采用與轉(zhuǎn)輪母材具有相同材質(zhì)的馬氏體不銹鋼實(shí)芯焊絲HS13/5L，該馬氏體不銹鋼焊絲的工藝性能較好，但有較大的冷裂傾向，因此對轉(zhuǎn)輪焊接時(shí)的工藝要求較嚴(yán)格。如何保證具有復(fù)雜幾何形狀的葉片與上冠、下環(huán)的大厚度截面的焊接質(zhì)量以及焊接過程中如何減少變形和焊后殘余應(yīng)力，并避免裂紋的產(chǎn)生將是轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接時(shí)需要解決的的最主要難題。由于采用了同材質(zhì)馬氏體不銹鋼焊接材料，也就是說焊縫與轉(zhuǎn)輪本體具有相同化學(xué)成分，焊縫與轉(zhuǎn)輪母材具有相同的組織和性能，退火處理將獲得較為理想的消除應(yīng)力效果，現(xiàn)場退火裝置、溫控設(shè)備的選擇及退火工藝方案的制定是亟需解決的難題之一。二采取的措施經(jīng)過縝密的

4、分析、論證制訂了既能保證轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量要求，又可滿足商定的交貨時(shí)間的轉(zhuǎn)輪現(xiàn)場焊接方案，具體如下：1四瓣下環(huán)的工地組焊整個(gè)轉(zhuǎn)輪下環(huán)由四瓣組成，在廠內(nèi)組圓精加工后分瓣發(fā)運(yùn)至工地，并在工地現(xiàn)場組焊成整圓，且焊后不再進(jìn)行下環(huán)過流面的機(jī)械加工，但需保證下環(huán)的圓度公差在2mm的范圍內(nèi)，以保證工地現(xiàn)場轉(zhuǎn)輪葉片的裝配需要。工地轉(zhuǎn)輪下環(huán)的最大外徑達(dá)7508mm，高度為4370mm，厚度僅為95mm，因此大尺寸、小剛度的下環(huán)工地現(xiàn)場組焊時(shí)，如何控制焊接變形、保證下環(huán)組焊后的尺寸精度將是轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接時(shí)需要解決的難題之一。四瓣轉(zhuǎn)輪下環(huán)通過合縫處的把合塊組合成圓，使得下環(huán)組圓后的尺寸偏差達(dá)到R(+3+4mm)，圓度

5、2mm之內(nèi)。同時(shí)為了控制焊接變形，四瓣下環(huán)的對接焊縫為非熔透的雙面U型坡口，有效地減少了焊接量；而且四瓣下環(huán)合縫處的焊接由4名焊工在的對稱位置同向、同速進(jìn)行分段退步焊接。下環(huán)對接坡口焊縫的焊接先使用H00Cr18Ni14Mo2 1.2mm焊絲進(jìn)行打底焊，打底焊的厚度為10mm， 然后使用HS13/5L 1.2mm焊絲進(jìn)行剩余坡口焊縫的焊接。焊接過程鉚工隨時(shí)監(jiān)控下環(huán)變形情況，并根據(jù)變形情況適當(dāng)調(diào)整焊接順序，并且施焊過程中采用逐層捶擊焊道，達(dá)到消除焊縫中的焊接殘余應(yīng)力和減小焊接變形的目的。采用上述工藝措施焊接完四瓣下環(huán)后，經(jīng)對下環(huán)的幾何尺寸進(jìn)行檢查，下環(huán)的徑向尺寸偏差僅為R(+1+3.5mm)，完

6、全能夠滿足轉(zhuǎn)輪葉片的裝配質(zhì)量要求。2轉(zhuǎn)輪的裝配轉(zhuǎn)輪的13個(gè)葉片的裝配按照專門的計(jì)算機(jī)程序?qū)θ~片進(jìn)行配重，以取得13個(gè)葉片的最佳排列順序和最小的焊后不平衡重量。轉(zhuǎn)輪的裝配采用倒裝法，分別將轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)放在條形支撐架上，調(diào)整好尺寸焊牢在支撐架上，然后按照順序依次裝配13個(gè)葉片，并將轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度控制在+3+5mm之內(nèi)，留有適當(dāng)?shù)暮附邮湛s量。水平控制在±1.5mm內(nèi)，上冠與下環(huán)的同軸度控制在2.0mm以內(nèi)。最后使用專門的檢查工具對轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)、出口角度和型線等關(guān)鍵尺寸進(jìn)行檢查，以確保轉(zhuǎn)輪的裝配質(zhì)量。3轉(zhuǎn)輪的焊接焊接方法由于大型轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接工作量大，選擇熔化極氣體保護(hù)焊，用95%Ar+

7、5%CO2的混合氣體保護(hù)。并根據(jù)WPS（焊接工藝規(guī)范），作為焊工實(shí)際操作的指導(dǎo)文件。熔化極氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)是焊絲熔覆效率高，焊道清理時(shí)間短，提高了生產(chǎn)效率，可有效縮短制造周期。焊前預(yù)熱由于HS13/5L焊絲是一種馬氏體焊接材料，焊接過程中容易產(chǎn)生冷裂紋，特別是對于像葉片與上冠、下環(huán)的T型接頭這樣的大厚截面、大焊接量且剛性較大部件的焊接。為了保證焊接質(zhì)量并避免冷裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡量減少焊縫應(yīng)力水平。因此，轉(zhuǎn)輪在焊接時(shí)進(jìn)行預(yù)熱和后熱處理是最有效的手段之一。工地大型整體不銹鋼轉(zhuǎn)輪工地現(xiàn)場焊接時(shí)，我們采用了一套可控硅調(diào)功控溫預(yù)熱裝置，根據(jù)轉(zhuǎn)輪各部件的不同厚度適當(dāng)布置電加熱器的數(shù)量和位置，并在加熱過程中根

8、據(jù)與電加熱器相連的鎧裝熱電偶的溫度反饋信號，使用可控硅控溫裝置調(diào)整加熱器的輸出功率，使得整個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接區(qū)的溫度始終保持在100120之間。為了防止加熱器破損漏電而帶來的安全隱患，整個(gè)預(yù)熱裝置中又額外增加了漏電保護(hù)裝置以確保用電的安全、可靠。焊接過程A.葉片的定位焊：葉片與上冠、下環(huán)之間焊縫的中間段（除進(jìn)出口兩端各100mm外），每間隔大約500mm600mm焊接130mm長焊縫，焊縫的厚度約（1520）mm，焊接材料采用H00Cr18Ni14Mo2 1.2mm焊絲。B. 轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)T型接頭坡口焊縫的焊接：由于焊接葉片與上冠、下環(huán)焊縫的難度是由于接頭的幾何形狀復(fù)雜(T型接頭),焊接后尺

9、寸精度要求較高;葉片厚度較大（接近200mm）而且焊接質(zhì)量要求高(特別是在葉片進(jìn)水邊和出水邊處)焊接時(shí)要嚴(yán)格控制焊接順序，轉(zhuǎn)輪的焊接由13名焊工分兩班在對稱位置同時(shí)、同向、同速進(jìn)行“多層、多道焊”，焊道寬度最大20mm，將坡口焊縫等份四段，每段退步爬焊，焊層厚度達(dá)到25 mm后再進(jìn)入下一段退步焊，上冠正面焊到1/2深達(dá)到清根，焊接下環(huán)焊到1/2深；上冠反面清根，PT探傷后反面焊到1/2后，開始正反面交替焊接，達(dá)到坡口2/3深,將下環(huán)焊到2/3,上下層焊道接頭應(yīng)錯(cuò)開50mm。在焊接過程中保持轉(zhuǎn)輪預(yù)熱溫度不低于100，在上冠下環(huán)交替焊接時(shí)，未焊接處（上冠或下環(huán)）溫度可控制在50以上，以減小熱輸入量

10、。為了控制變形減小焊接應(yīng)力，采用焊接角焊方法焊接；由于位置的限制，焊接時(shí)需經(jīng)常變化焊槍角度，保證氣體保護(hù)充分減少氣孔；在焊接時(shí)還要時(shí)刻關(guān)注風(fēng)向，注意“穿堂風(fēng)”，防止氣孔的產(chǎn)生。在轉(zhuǎn)輪翻身下環(huán)清根后，焊接葉片與下環(huán)T型接頭的坡口焊縫時(shí)，為防止風(fēng)影響焊縫質(zhì)量，應(yīng)將下環(huán)周圍用石棉布擋上焊接；為了減小熱輸入量，焊接時(shí)交替焊接葉片與上冠、下環(huán)的T型接頭的坡口焊縫，直至將葉片坡口及根部加強(qiáng)圓角完成。全部焊接完成后不要直接冷卻到室溫，要對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行整體后熱消氫處理后再冷卻到室溫，從而保證焊接質(zhì)量。焊接操作嚴(yán)格按焊接工藝規(guī)范（WPS）執(zhí)行，并通過有效手段控制相關(guān)焊接參數(shù)在所規(guī)定的范圍內(nèi)，控制焊接熱輸入量，焊接過

11、程中發(fā)現(xiàn)焊接缺陷及時(shí)處理，13名焊工相互兼顧，保證轉(zhuǎn)輪13個(gè)葉片焊接熱輸入量達(dá)到均衡狀態(tài)，使焊接接頭性能符合設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，從而保證轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量。3轉(zhuǎn)輪的無損探傷轉(zhuǎn)輪焊縫的無損探傷將在不同的時(shí)段分4次進(jìn)行，轉(zhuǎn)輪焊接過程中的中間探傷：為了避免轉(zhuǎn)輪坡口焊滿后進(jìn)行超聲波探傷（UT）時(shí)發(fā)現(xiàn)較多的根部焊接缺陷，而使焊接返修的工作量加大，我們在葉片與上冠、下環(huán)的T型接頭的背面清根時(shí)進(jìn)行各一次PT探傷檢查，合格后才能繼續(xù)進(jìn)行焊接，同時(shí)在焊到坡口2/3深時(shí)進(jìn)行一次UT探傷，焊滿葉片坡口及加強(qiáng)圓角（退火前）和轉(zhuǎn)輪退火后的最終檢查。4轉(zhuǎn)輪的焊后消除應(yīng)力熱處理對于具有厚截面的大型轉(zhuǎn)輪,為避免因受熱不均而產(chǎn)生的附加應(yīng)力，在加熱、冷卻過程中保持轉(zhuǎn)輪溫度均勻上升或下降是至關(guān)重要的。對于HS13/5L這種馬氏體焊接材料而言，焊后進(jìn)行580±15幾個(gè)小時(shí)的熱處理是非常必要的。退火爐采用可拆的組合式退火爐，輻射式的間接加熱方案，其最大優(yōu)點(diǎn)是對轉(zhuǎn)輪本體不會(huì)產(chǎn)生傷害，可靠性較高，轉(zhuǎn)輪受熱均勻，用可控硅調(diào)功控溫法進(jìn)行工件及爐體溫度的實(shí)時(shí)調(diào)控，按照退火工藝守則對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱處理，完全滿足了工藝的要求。三、結(jié)論經(jīng)過事先的認(rèn)