小焓降薄體隔板焊后變形的分析及矯正方法

陳大巍

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

隨著國際能源形勢日趨緊張，常規化石能源儲量日益降低、成本日益提高，發電行業對發電機組效率的要求越來越高。在這種大趨勢下，發電設備制造行業越來越多地利用多級數小焓降葉片單級效率高的特性來提高汽輪機的總體效率。受到電廠廠房基礎設計的影響，汽輪機總體外形尺寸越緊湊、占地面積越小，則基礎建設成本越低。如果為了提高機組效率而采用多級數小焓降的葉片，增加級數的同時難免帶來機組總體長度的增加。為了調和這一矛盾，葉片設計過程中就必須降低弦寬，如此一來，隔板的整體厚度勢必減薄。這種薄體的隔板在焊接過程中極易變形，如果不能解決隔板焊接變形的難題，則通過增加級數來提高效率的設想就無從實現。

本文結合設計原理、工藝試驗與生產實踐，分析了隔板焊接變形對加工及產品熱效率的影響，提出了各種焊接變形的預防與矯正方法，并最終歸納整理了一些適合實際生產的薄體隔板變形矯正方案，降低了薄體隔板焊后變形對汽輪機通流效率的影響，在一定程度上保障了機組設計效率在實際產品中的最終實現。

1 薄體隔板焊接過程中容易產生的各種變形分析及其影響

1． 1 收縮變形

收縮變形主要來自導葉片拂配時的徑向面間隙，葉片支數越多，圓周上的總間隙值就越大。這些間隙在焊接過程中由于葉片與葉片的相互熔接貼緊而被消除，同時由于圓周長的縮小，焊后隔板的節圓直徑會隨之縮小，從而造成收縮變形。

為避免收縮變形，在拂配過程中會給予這種收縮變形一定的補償量，即在拂配時人為增加節圓直徑，待焊接收縮后使節圓直徑恢復設計值。但是在實際生產過程中往往缺乏有效的手段控制和檢驗實際的徑向面間隙值。目前使用的方法為塞尺檢查，這種檢查會存在一定的假象，即只要兩支葉片的徑向面存在一定范圍的點接觸或者線接觸，而接觸點恰好位于塞尺檢查部位時，實際間隙值就無法被正確體現，而大于檢查結果的間隙值在焊接過程中勢必造成超過設計標準的收縮量，最終導致產生超差的節圓直徑。

收縮變形主要影響的是節圓直徑，節圓直徑的過度收縮對汽輪機通流蓋度會產生一定的影響，即從靜葉珊流出的汽流不能完全進入本級的動葉汽道中（如圖1），而有部分蒸汽沖擊到動葉葉根，這種沖擊會造成流場紊亂從而產生渦流。這種渦流對短葉片影響尤其嚴重，因為短葉片本身葉高值較小，一旦產生渦流，汽道在高度方向受影響的比例就會很大，這種影響會對流場產生遮擋效應，嚴重影響級效率。

圖1

1.2 碟形變形

所謂碟形變形指的是隔板在焊接后在軸向上外圓整體偏高而中心整體偏低，從而使本應平整的隔板形成一種類似盤子的形狀。這種變形產生的原因主要是來自拂配工藝造成的內外徑向面平行度偏差。在實際生產過程中，每支葉片在拂配時的安裝工位均是一致的，這會有效地保障各支葉片拂配后的一致性，這種一致性利于裝配及檢驗。但是恰恰是這種一致性使得每一只葉片的內外徑向面的不平行度也趨于同向性，即要么進汽側弦寬全部大于出汽側，要么進汽側弦寬全部小于出汽側。這種差別雖然微小，但由于葉片支數多，累積起來便會使隔板的兩側徑向面間隙不均勻。這種不均勻的間隙通過熔接貼緊而被消除之后就會導致隔板的進、出汽側收縮量不一致，從而造成碟形變形。

碟形變形是同時在軸向、徑向兩個方向發生變形，其中徑向的分變形與收縮變形造成的影響相同，都會造成節圓直徑的減小，從而影響級效率；而軸向的分變形則會對隔板加工產生一定的影響。由于前文中已經對節圓直徑的變化的影響進行了闡述，在此僅對軸向變形對加工的影響進行闡釋。

眾所周知，在機械加工行業中，加工余量的選取同時受到工藝水平與生產成本的雙重制約。較大的加工余量會使生產難度降低，但同時會導致浪費原材料而使成本提高；相反的，較小的加工余量節省材料，但會提高生產難度甚至造成產品報廢。碟形變形的軸向分變形會改變隔板內外環的空間位置，導致其與設計狀態產生偏差，這種偏差往往會導致原設計的加工余量不再滿足加工需要。而更加嚴重的變形則不但使加工余量不足，還會導致隔板的進、出汽端面在加工后與葉片型線部分產生干涉，從而損壞葉片型線，破壞葉片的氣動性能甚至于影響隔板的安全性能。

1.3 彎扭變形

彎扭變形產生的原因較為復雜，除了之前提到的拂配間隙不均勻之外，材料自身的不均勻性、殘余應力的不均勻性、焊接溫度的不均勻性、裝焊及熱處理過程中平臺和工裝的平整度等都會使隔板產生不同程度的彎扭變形。由于彎扭變形的不規律性，其對加工余量的影響尤為嚴重，因為同方向的變形可以通過平移的處置方法進行一定程度的彌補，而異向的變形則會使隔板兩側的加工余量同時減小，這往往是造成葉片型線損壞的最大原因。

2 薄體隔板焊接變形的預防和矯正

由于薄體隔板焊接變形對隔板自身以及機組效率存在嚴重的影響，因此如何在焊接過程中預防變形、如何在焊接變形后矯正變形就顯得尤為重要。下面結合在技術處理過程中的一些經驗對各種焊接變形提出一些預防與矯正的方法。

2.1 變形的預防

預防焊接變形需要從各種變形產生的原因入手，通過完善工藝、提高操作水平等手段來實現。通過前文的簡要分析，我們發現薄體隔板的焊接變形主要源自以下幾個環節，一是拂配間隙大或者間隙不均勻，二是對拂配間隙的檢驗缺乏有效手段，三是隔板裝焊、熱處理過程中工作平臺、工裝卡具等存在不平度。針對工作平臺、工裝卡具的不平度問題，可以通過定期的對平臺、工裝卡具進行檢驗、修復來解決；拂配間隙的控制與檢驗則難度較大，一來需要拂配工人提高自身技能，二來需要采取更為有效的檢查方法代替塞尺檢查法。本文認為可以嘗試通過涂紅丹粉進行接觸檢查，配合塞尺法檢查間隙的方法來解決該問題。此方法可行性與實際效果有待進一步驗證。

2． 2 變形的矯正

下面結合實際工作中處理的一些變形問題實例來對隔板的變形矯正方法進行闡述。

實例一：國內某電廠超臨界660 MW汽輪機中壓隔板收縮變形

該隔板在拂配過程中間隙控制不嚴格，導致隔板焊接后節圓直徑小于設計值下限3.4 mm，經過通流分析，該隔板如果用于機組中將造成葉根處高度差達到-1.2 mm，直接造成的渦流損失將影響級效率7%，屬于嚴重經濟性影響，隔板不能使用。該隔板修復方案為：1）按照隔板圖樣檢查橢圓度，如橢圓度大于1mm，進行校形處理至橢圓度小于1mm，焊接φ40左右的十字拉筋。2）車掉隔板的進氣側電子束焊縫余高至與母材齊平，打磨去除拉筋后按照隔板圖樣檢查節圓、橢圓度和喉部等尺寸并記錄，選取喉部尺寸較小均布的6個位置，在選取的位置將隔板平均割成6半。將分半后的隔板均布擺放到原電子束焊接工裝上檢查并計算圓周方向缺少的長度。3）在隔板切割端面補焊，補焊厚度應滿足計算結果并留加工余量。4）將堆焊后的隔板最少量的修磨焊接坡口（雙面修磨坡口），每面隔板坡口的垂直深度不低于15 mm。5）將開好坡口的隔板放到電子束焊接工裝上，復查節圓等各尺寸滿足圖樣要求（除了修復處的汽道喉寬尺寸），壓緊壓板焊接出氣側。6）翻身，焊接進氣側。7）焊后按照原熱處理工藝進行熱處理。

實例二：國內某電廠亞臨界機組高壓隔板碟形變形該隔板焊接后發現節圓直徑少量超差，經進一步檢查確定為碟形變形，同時伴隨長短軸橢圓形式的收縮變形。由于該隔板用于高壓部分，葉高較小，節圓尺寸對通流影響較大，故對其進行修復處理。又由于該隔板節圓在長軸方向與設計值相符，而短軸方向小于設計值，且軸向加工余量經劃線證明滿足加工需要，故決定不進行校型，直接通過切中分面后補焊中分面的方式修復，方案為：1）車掉隔板的進氣側電子束焊縫余高與母材齊平，選取喉部尺寸較小的對稱位置作為隔板中分面，在選取的位置將隔板割開。將分半后的隔板擺放到原電子束焊接工裝上檢查并計算圓周方向缺少的長度。2）在隔板中分面補焊，補焊厚度應滿足計算結果并留加工余量。3）加工補焊后的中分面，使短軸方向節圓直徑滿足圖樣要求。

3 結語

經過技術處理后，變形隔板節圓恢復至圖樣要求尺寸，既糾正了出汽面積偏差，又將通流蓋度調整到較為理想的狀態，有效地減小了汽流沖擊損失和湍流損失，并防止湍流產生的渦旋遮擋汽道。因此經過處理后的隔板能夠有效保障級效率，對機組整體經濟性能產生良性影響。