龍開口水電站機組轉輪現場組焊質量控制

李世棟

(四川二灘建設咨詢有限公司，四川成都 610051)

1 概述

龍開口水電站位于云南省鶴慶縣的金沙江中游，電站為壩后式地面廠房，額定水頭67 m，額定轉速83.3 r/min，裝機容量為5×3 600 MW。水輪機轉輪最大直徑為8 600 mm，總高度4 702 mm，總重量245 t。龍開口水電站的水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司供貨。

轉輪的葉片提前在廠內完成了精加工;上冠為整體結構，除聯軸法蘭和上止漏環外圓進行了粗加工外，其余部位已進行了精加工;下環除下止漏環外圓進行了粗加工外，其余部位已進行了精加工且分解成3瓣。轉輪的所有散件運至現場后組焊成整體、探傷、退火、焊縫與葉片表面的鏟磨、整體轉輪上、下止漏環的機加工及靜平衡后的配重。通過對轉輪的結構進行分析，哈電制定了一整套轉輪現場組焊與機加工的施工措施，該措施獲得現場監造工程師的批準并在監造工程師的全過程監控下實施。

2 轉輪的現場裝配方法

(1)采用倒裝一次裝配法(即上冠在下、下環在上)確定轉輪的裝配高度(預先考慮焊接收縮量3～5 mm)。裝配中調整上冠與下環的進口高度及同軸度。設計進口高度標準為2 428 mm，實測最大為2 433 mm，上冠與下環的同軸度的設計值為±1 mm，而實測控制值為0.5 mm。

(2)對組裝后的形位尺寸進行復測。設置質量控制點。按 X－X和Y－Y軸線及下環、上冠分別做出投影并打出標記，測量四點的投影不重和數據值，監測并調整轉輪下環與上冠的同心度。測量四點的投影不重合程度的弦長，調整轉輪下環與上冠的扭轉程度。轉輪在焊接過程中由于收縮會引起上冠與下環的相對扭轉，通過合理的焊接順序與適當的焊接速度等措施對減少扭轉變形量有良好的效果，從而保證了整體轉輪的形位誤差和尺寸精度。

(3)整體裝配控制。葉片裝配過程中，先將13個葉片按照事先稱重和電子配重結果，以取得13個葉片的最佳排序和最小的焊后不平衡重量，葉片按編號裝配、分組對稱均布裝配(保證轉輪裝配的位置精確)，葉片的四個頂點分別與上冠、下環的進、出水邊的等分點重合，出口截距及進口截距符合設計要求。葉片分組裝配可有效防止顛覆，水平基準變化會影響轉輪的裝配精度，這一點在整個轉輪裝配工序中顯得尤為重要。

3 轉輪的現場焊接

(1)轉輪焊接質量的控制是整個轉輪制造的核心，焊接質量的好壞直接影響轉輪的使用效率和壽命。①由于轉輪上冠、下環和葉片均為馬氏體不繡鋼材質(0Gr13Ni4Mo)，其焊接材料采用馬氏體不銹鋼焊絲(HS13/5L)與之相匹配，因其碳當量相對較高，故焊接性能較差，具有一定冷裂傾向，因此，轉輪的焊接過程控制尤為重要;②轉輪具有復雜的幾何形狀，葉片與上冠、下環的組合縫處存在薄厚不均的情況。在焊接過程中，如何減少變形和內應力產生，避免焊縫冷裂紋的產生是轉輪在現場焊接時需要控制和解決的主要問題。

(2)焊縫母材的預熱。馬氏體100℃ ±10℃，溫度每上升20℃測溫一次，轉輪各個焊接位置的溫度差別≤50℃，將焊接的層間溫度必須控制在175℃內，從而有效的減緩了焊縫熔合金屬的過高或過低，防止了淬硬組織的形成，避免了冷裂縫的產生，保證了焊縫質量。

(3)主要焊接工序。

葉片的定位焊:葉片與上冠、下環之間焊縫的中間段(除進出口兩端各100 mm外)每間隔大約500～600 mm焊接150 mm長焊縫，焊縫厚度約為15～20 mm。

轉輪葉片與上冠、下環、T型接頭坡口焊縫焊接:焊接分兩個部分，即打底焊和坡口正式焊接。打底焊使用HOOCr18iI4Mo2φ1.2焊絲，打底焊厚度為20 mm，預熱溫度應不小于80℃。正式焊接使用 HS13/5Lφ1.2 焊絲。

轉輪的焊接由一名焊工焊一片葉片，在對稱位置同時、同向、同速、多層、多道焊進行焊接，焊道寬度最大為20 mm，從坡口長度的中間向葉片的進、出水邊等份四段，每段退步焊接，當焊層厚度達到25 mm后再進入下一段退步焊。

葉片與上冠正面坡口焊至60 mm深后在葉片背面清根、打磨、PT探傷。探傷合格后焊接葉片背面坡口至50 mm厚。

葉片與下環背面坡口焊至60 mm厚后按圖紙要求進行無損探傷，合格后在葉片與下環坡口焊縫正面進行清根、打磨、PT探傷合格后焊接葉片正面坡口焊縫至60 mm。

對轉輪焊接的坡口焊縫進行中間過程UT探傷，合格后將葉片與下環正面焊滿，焊接過渡和圓弧R。翻身焊滿葉片與上冠正面、背面，葉片與下環背面，UT探傷合格后，焊接過渡和圓弧R，為后續組裝轉輪積累可靠的經驗。

(4)轉輪焊后的熱處理及其他工序。

轉輪焊后，立即在現場進行整體退火以消除殘余應力。轉輪的退火采用電熱溫控法。由于轉輪部件薄厚不均，加熱時要盡量使各部件受熱均勻且溫升一致，工藝上采取人工手動方法調節爐內溫度，要求工件之間的溫差≤70℃。轉輪內部的殘余應力較高是導致轉輪產生疲勞裂紋的一個重要誘因，故轉輪焊接后必須進行消除應力的熱處理。在升溫和降溫過程中，保持爐內溫度均勻上升或下降至關重要。為防止焊后轉輪放置時間過長，將15 d的粗磨工序由退火前調整到退火后進行，焊后立即進行退火處理，將應力釋放。

4 轉輪加工及靜平衡試驗

轉輪加工利用哈電提供的自制設備——小立車進行上冠上下平面、內圓的加工，此處的關鍵在于上平面的加工，圖紙要求平度≤0.04 mm/m，方能滿足接下來的鏜孔、車上下止漏環和靜平衡的要求，以及大軸和轉輪把合后的同軸度;加工所用設備均為哈電自制設備，其關鍵在小立車加工上冠的上平面和內圓精度必須在公差范圍內，以它為基礎自制了鏜模連接板和大立車齒輪連接板，只有這樣加工出來的孔和上下止漏環才能保證合格。

轉輪靜平衡通過利用哈電自制的高壓油頂起球膜平衡設備，用高壓油將轉輪頂起，然后確定轉輪偏重位置。轉輪的靈敏度和殘余不平衡力矩是轉輪制造的兩個重要參數。水輪機組在運行中的震動大小和使用壽命與其有直接關系。工藝允許殘余不平衡力矩≤900 NM。而靈敏度為在轉輪任何位置掛1 kg重物時該處轉輪下降0.56～0.74 mm。

5 轉輪現場制造時采取的主要質量控制措施

(1)針對直徑8 m左右的轉輪葉片，焊后上冠和下環出水邊易產生裂紋。哈電高層組織焊接專家和有經驗的科技人員對龍開口水電站機組轉輪的機械設計、水力設計、結構設計等進行優化設計，同時對轉輪強度和動態特性進行分析計算。經過論證和潛心研究后，決定在1#和2#機轉輪上冠和下環出水邊加400 mm長的三角塊。3#至5#機葉片進一步優化改型處理。

(2)轉輪在焊接過程中焊縫易產生裂紋和大量氣孔，直接影響轉輪的焊接質量，這個問題一直困擾著發電制造廠家。馬氏體不銹鋼焊絲HS13/5Lφ1.2的焊接性較差，具有一定的冷裂傾向，因此，在轉輪焊接時工藝的要求較嚴格。如何保證具有復雜幾何形狀的葉片與上冠、下環的大厚度截面焊接質量以及焊接過程中如何減少變形和焊后殘余應力并避免裂紋的產生將是轉輪在工地現場焊接時需要解決的最主要難題。經過科技人員和焊接師傅的細心觀察和精心研究后提出:在焊接過程中采取四控制和四必須措施。四控制為:控制好加熱溫度和層間溫度;控制好電流大小和焊縫擺寬;控制好焊接速度;控制好外購氣體的純度。四必須為:清根和層間必須清理干凈;焊接過程必須按區域進行;電氣弧刨機使用前必須將空壓機中的水放凈;焊接前必須用防火布將轉輪圍嚴，防止串堂風。從而保證了焊接質量，使焊接總體質量合格率達到100%。

(3)轉輪內部的殘余應力是導致裂紋產生的一個重要誘因。為防止焊后轉輪放置時間過長，將15 d的粗磨工序由退火前調整到退火后進行，焊后立即進行退火處理，將應力釋放。

(4)轉輪焊接、轉輪熱處理、轉輪鏟磨、轉輪加工和靜平衡等質量對機組運行的穩定性和使用壽命有很大的影響。如何保證它們的內在質量，提高轉輪現場制造水平是我們追求的目標。在轉輪制造過程中，堅決貫徹哈電“精細過程，精品結果”這一哈電理念，并在1#機轉輪制造過程中得到了認真的貫徹，收到了很好的效果。熱處理工序是轉輪制造的關鍵工序，退火設備是影響熱處理的主要因素。經過仔細觀察和認真分析，我們發現分包商提供的退火設備存在嚴重的質量問題。第一:退火爐布置了288片加熱片，共 計2 880 kW，功率嚴重不足。第二:加熱片用的連接線是電阻比較高且易斷裂的不銹鋼鋼棍。第三:退火過程時間長，所用功率大，電纜線容易發熱。針對上述問題，我們與分包商經過協商得到了很好解決，避免了轉輪在退火過程中的質量事故。

6 結語

龍開口水電站轉輪組焊始終如一地貫徹了“精品過程、精品結果”的理念。在焊接過程中，嚴格對焊接電流和電壓、焊接擺幅的寬度及厚度進行控制，遏制了不按焊接工藝大綱操作的習慣性違章，確保了轉輪焊接順利的進行。在焊接過程中，堅決貫徹“四控制”、“四必須”，從而有效的解決了馬氏體在焊接中的難題。從目前實施的措施看已收到了良好的效果，轉輪焊接變形得到了有效的控制。