水輪機轉輪補焊工藝實例探討

陳兆毅（福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000）

水輪機轉輪補焊工藝實例探討

陳兆毅
（福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000）

摘要：結合福建山美水電站3號機組大修轉輪補焊修復實例，探討水輪機轉輪汽蝕、開裂等缺陷的處理方法及工藝控制，總結水輪機轉輪補焊中常見的問題及處理經驗。

關鍵詞：焊前處理；葉片裂紋補焊；葉片汽蝕補焊；焊后熱處理；葉片翼型修復

1　山美水電站3號機轉輪介紹

福建山美電站3號機組投產于1996年，發電機出力30MW，水輪機轉輪型號為HL-A296,轉輪直徑315cm，葉片數14片，材質為鑄鋼。因為設計選型的關系，該轉輪投產后汽蝕性能較差，經過近10年的運行，汽蝕情況非常嚴重，已于2008年技改更換成不銹鋼轉輪。本文著重介紹2006年3號機組技改前大修時轉輪汽蝕情況及處理過程，為水輪機轉輪幾種類似典型的汽蝕情況提供處理心得及經驗。

2　補焊前轉輪情況

2.1轉輪裂紋情況

轉輪吊出后，對轉輪葉片進行詳細檢查，發現有4片葉片在靠近上冠焊縫30～50mm處有裂紋，其中一片基本成通裂，其余3片都有約400～700mm的裂紋。

2.2轉輪汽蝕情況

對轉輪汽蝕情況進行檢查，發現主要有2個部位存在汽蝕情況：1）葉片背面距上冠約200mm處有較明顯麻點狀汽蝕帶，最深4mm，面積約0.04 m2；2）所有14片葉片在出水邊靠近下環部位都有非常嚴重的汽蝕狀況，汽蝕片顯蜂窩狀，最深處幾近貫穿葉片，每片汽蝕面積在0.3m2左右，總面積達3.1 m2，這在水質較好的水電站中較為少見，如圖1。

3　轉輪修復處理

3.1葉片裂紋焊前處理

（1）鉆止裂孔。在裂紋的末端鉆止裂孔，鉆孔直徑為5～8mm，鉆孔深度鉆到孔內見不到裂紋為止（如圖2）。

圖1轉輪汽蝕分布

（2）用碳弧氣刨和角向砂輪機沿裂紋開出坡口，坡口要盡量窄小，但應大于焊條的直徑。

（3）清理坡口，打磨滲碳層。

（4）對已成通裂的葉片，用同樣的方法先在葉片正面開坡口，深度為葉片2/3厚度。待正面坡口補焊完成后，再在背面開葉片另1/3厚度的坡口（如圖2）。

圖2

3.2葉片汽蝕部分補焊前處理

對轉輪葉片汽蝕區域，補焊前應進行徹底的鏟削。

（1）對于汽蝕深度不超過2mm的區域可以直接用砂輪打磨；

（2）對于汽蝕坑深大于2mm的，應采用碳弧氣刨的方法鏟除破壞層，達到95%以上的面積露出基本金屬。采用碳弧氣刨應盡量使表面平整，再用砂輪磨去滲碳層露出金屬光澤。

3.3補焊

（1）焊接工藝參數選擇

①焊條直徑選擇：綜合考慮焊件厚度、焊接層次、防止過熱等因素，3號機組補焊的焊條直徑選擇φ3.2和φ4.0兩種。

②焊接電流選擇

根據焊條直徑來選擇：I1＝K.d＝40×3.2＝128A

I2＝K.d＝40×4.0＝160A

式中：I--焊接電流A；

d--焊條直徑mm；

k--經驗系數，取40。

③焊條型號選擇

根據碳鋼和不銹鋼的金相組織結構，考慮焊條與母材結合情況，選擇不銹鋼焊條為CHS102;選擇碳鋼焊條為：E5015。使用時，焊條必須保存在密封良好的保溫筒內。

（2）裂紋補焊

裂紋補焊使用φ3.2碳鋼焊條。焊前用烤槍對焊部進行焊前預熱，預熱溫度60℃。從焊接坡口底部逐層堆焊，每層厚度不超過3mm，控制焊接速度減少焊接熱量過分集中。

①對氣刨處理后深度小于10mm的區域，用E5015碳鋼焊條進行堆焊，每層焊高不能大于4mm，根據氣刨的實際深度來確定補焊層次。施焊時必須分片、分塊進行堆焊，分塊尺寸為200mm×200mm。同一葉片同一區域不能連續施焊，應采用對稱跳步的方法，盡量減少焊接熱量過分集中，減少葉片型線變形（如圖3）。

圖3

②對氣刨處理后深度大于10mm的區域，用不銹鋼板進行鋪焊。根據氣刨深度選取適當厚度的不銹鋼板，鋼板寬度30～50mm，長度為氣刨區域長度。在鋼板上每50mm鉆一塞焊孔。鋼板之間留8～10 mm的焊接縫。焊接時每焊一個塞焊孔，需用錘擊敲打鋼板，使鋼板與葉片盡量貼合。焊接不銹鋼板使用CHS102不銹鋼焊條（如圖4）。

圖4

3.4葉片焊后的熱處理

由于補焊面積較大，深度較深，葉片補焊后必須進行熱處理，消除熱應力，防止葉片變形。熱處理采用電加熱的辦法，用履帶式電阻加熱片，每片功率3 kW，貼在焊縫處扎好固定，外面包上石棉布保溫層，通電5～6h后，斷電自然冷卻（如圖5）。

圖5

3.5打磨拋光

用硬紙板制作葉片翼形樣板，對補焊處進行修整打磨。可先采用氣刨對比較明顯的高點進行吹削，對焊接缺陷或缺肉處進行補焊。再用磨光機進行細磨，使補焊部位符合原來型線，表面無明顯凹凸現象，堆焊區與原母材圓滑過渡。

3.6焊縫探傷

轉輪補焊結束后，進行滲透探傷試驗，檢查葉片與上冠、下環焊接處及原裂紋補焊處有無新裂紋。

4　補焊后運行效果

3號機組轉輪經過補焊修復處理后，機組投入試運行。在試運行時，測量機組各部振動情況及上導、下導、水導處擺度，發現比檢修前有較好的改善。可見，此次大修的轉輪大面積補焊，有效地修復了轉輪因汽蝕、開裂造成的葉片翼形改變、水力性能變差等缺陷，取得較好的成果。

5　結語

3號機組水輪機HL-A296轉輪在2006年大修后，又正常運行了兩年，直到2008年技改時因重新設計選型，更換成不銹鋼轉輪，才退出運行。在2008年技改時吊出該轉輪時發現，經過2006年大修補焊，轉輪沒有再出現明顯裂紋。在汽蝕方面，由于在06補焊時主要汽蝕部位采用不銹鋼板鋪焊，有效地減輕了汽蝕對葉片的侵蝕，未再出現前次大修前嚴重的汽蝕狀況，說明2006年大修時轉輪的補焊處理是成功的。在此次大修中摸索總結出的這套水輪機轉輪補焊及修復方法，是一個在實際操作中總結出來的寶貴經驗，可作為類似水輪機轉輪汽蝕修復工作的借鑒和參考。

參考文獻：

[1]于蘭階．水輪發電機組安裝與檢修[M]．北京：中國水利水電出版社，1995．

[2]張洪流．焊工工藝學[M]．北京：中國勞動社會保障出版社，2005．

[3]鄭源．水輪機[M]．北京：中國水利水電出版社，2011．

中圖分類號：TK730.3+23

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0046-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.014

收稿日期：2014-11-18

作者簡介：陳兆毅（1973-），男，工程師，從事水電站機組安裝與檢修工作。