可逆式機組座環(huán)氣蝕焊接工藝

劉 聰，楊紹愛

（國網(wǎng)新源控股湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

0 引言

某抽水蓄能電站單臺機組容量300 MW，水輪機型號：HLN-LJ-550，額定功率：306.1 MW，設(shè)計水頭：195 m，額定轉(zhuǎn)速：250 r/min，機組座環(huán)由上環(huán)板、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉構(gòu)成，其高度為794 mm，內(nèi)徑7 050 mm，外徑8 719.5 mm，固定導(dǎo)葉高度794 mm，寬度1 273 mm。2016年機組檢修發(fā)現(xiàn)：固定導(dǎo)葉進、出水邊有少量蜂窩狀銹蝕情況，固定導(dǎo)葉側(cè)面及座環(huán)上下環(huán)板出現(xiàn)較大面積的防腐涂料剝落、金屬銹蝕現(xiàn)象。

國內(nèi)處理固定導(dǎo)葉主要有手工電弧焊堆焊及陶瓷金屬Belzona1311處理方法。其中陶瓷金屬目前國內(nèi)應(yīng)用較少，其長遠效果還有待進一步論證；堆焊方法在活動導(dǎo)葉氣蝕處理方面應(yīng)用廣泛，并且通過長期觀察，效果較好[1]，故選擇堆焊方法處理固定導(dǎo)葉氣蝕。

1 氣蝕原因分析及處理原則

固定導(dǎo)葉產(chǎn)生氣蝕原因，是由于在流動的液體中，當(dāng)某區(qū)域的壓力因某種原因而突然下降至液體溫度相應(yīng)的汽化壓力以下時，部分液體汽化，溶于液體中的氣體逸出，形成液流中的空泡。空泡隨液流進入壓力較高的區(qū)域時,失去存在的條件而突然潰滅,原空泡周圍的液體運動使局部區(qū)域的壓力驟增。液流中不斷形成、長大的空泡在固體導(dǎo)葉附近頻頻潰滅，葉面就會遭受巨大壓力的反復(fù)沖擊，從而引起材料的疲勞破損甚至表面剝蝕。

由此可見，要減輕氣蝕破壞，必須防止流場中的壓力降至相應(yīng)溫度下的汽化壓力。目前，常規(guī)機組通過大量建模仿真計算以及模型試驗對轉(zhuǎn)輪、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉進行了分析，不斷完善過流特性，取得了較好的效果，但對于抽水蓄能機組，由于抽水和發(fā)電不同工況下，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反，在固定導(dǎo)葉發(fā)電工況出水邊容易產(chǎn)生翼型氣蝕，如能在該部位采取加壓措施，或者增加機組埋深，以消除過高的負(fù)壓，在理論上對于預(yù)防氣蝕有作用。另外，由于氣蝕造成的破壞主要是物理原因引起的，故在氣蝕易發(fā)生部位采用高強度高硬度耐腐蝕材料，也可降低氣蝕的破壞。

2 鋼材焊接特性

固定導(dǎo)葉材質(zhì)為S500QEN10137-2(歐洲標(biāo)準(zhǔn))，需要對該材質(zhì)的冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂焊接特性進行分析。材質(zhì)化學(xué)成分見表1：

表1 S500Q EN10137-2化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于）/%

2.1 冷裂紋

冷裂紋產(chǎn)生的原因和鋼材的淬硬傾向、擴散氫含量及焊接時的拘束度有關(guān)。淬硬傾向可以通過計算鋼材的碳當(dāng)量來確認(rèn)，而擴散氫含量可以通過選用低氫焊條以及焊后消氫處理來降低，拘束度可通過對稱焊接，減少焊接支撐等方式來降低。碳當(dāng)量Ceq計算公式如下：

計算得到固定導(dǎo)葉和過渡段碳當(dāng)量為1.11%。當(dāng)碳當(dāng)量大于0.45%時，淬硬明顯，焊接性能較差，由此得出：固定導(dǎo)葉鋼材材質(zhì)容易在焊接過程有淬硬傾向，易產(chǎn)生冷裂紋。

2.2 熱裂紋

熱裂紋由于焊縫中雜質(zhì)和拉應(yīng)力的存在以及焊縫終端部位溫度的變化產(chǎn)生的，可通過熱裂紋敏感系數(shù)HCS來進行判斷：

計算得到HCS為1.02，當(dāng)HCS＜4時，無熱裂紋傾向，故S500Q不會產(chǎn)生熱裂紋。

2.3 再熱裂紋

焊后焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱而產(chǎn)生的裂紋為再熱裂紋。其影響可用下列公式表示：

當(dāng)Psr≤0時，無再熱裂紋傾向，計算得到Psr為-0.034，故S500Q再次加熱不會產(chǎn)生裂紋。

2.4 層狀撕裂

層狀撕裂影響因素主要有兩個：一是非金屬夾雜物：夾雜物的分布、數(shù)量、形態(tài)和種類是造成層狀撕裂的主要因素，其中硫化物危害最大；二是Z向拘束應(yīng)力。

S500Q EN10137-2硫含量為0.01%，硫含量極低，并且固定導(dǎo)葉在承受拉應(yīng)力，選用抗層狀撕裂鋼板，故不會產(chǎn)生層狀撕裂。

由上述分析可知，固定導(dǎo)葉焊接時易產(chǎn)生冷裂紋，由于冷裂紋產(chǎn)生的原因主要為鋼種的淬硬傾向、擴散氫的含量以及焊接拘束度，因此，需要制定詳細的焊接方案，選擇合適的焊條，減少淬硬組織，降低焊接過程中的焊接應(yīng)力及多余氫氣，保證焊接質(zhì)量。

3 處理步驟及工藝

3.1 焊接順序

固定導(dǎo)葉周邊：從固定導(dǎo)葉進/出水邊分別向兩側(cè)面對稱進行焊接，如圖1、圖2所示：箭頭代表焊接方向。

圖1 固定導(dǎo)葉進出水邊焊接順序

座環(huán)圓周方向焊接順序：圓周方向均布兩人對稱焊接。兩名焊工必須采用相同的焊接速度，相同的焊接電流，對稱施焊。

圖2 圓周方向焊接

3.2 焊接步驟

1）焊前首先清理固定導(dǎo)葉出水邊及其兩側(cè)表面需焊接范圍內(nèi)的水分、鐵銹、油污等污物。

2）對打磨部位進行無損檢測，如有缺陷進行如下處理：用角磨或電弧氣刨將裂紋清除干凈并開U型坡口，再次對坡口表面進行無損檢測，確認(rèn)裂紋已完全清除，再按正式焊接工藝進行補焊。對于無缺陷或點坑的打磨部位，待全部補焊工作結(jié)束后，進行防腐處理。

3）焊條在使用前應(yīng)按照說明書進行烘焙，并在溫度降至150℃時轉(zhuǎn)入100～150℃烘箱內(nèi)保存，焊工領(lǐng)用焊條應(yīng)使用焊條保溫筒，領(lǐng)取的焊條未用完應(yīng)及時退回，時間超過4 h以上，應(yīng)再次烘烤。累計的烘烤次數(shù)一般不宜超過2次。

4）焊前預(yù)熱和層間溫度：焊前應(yīng)進行預(yù)熱。應(yīng)預(yù)熱至100℃，除了小區(qū)域的修補可采用火焰預(yù)熱外，必須使用履帶式加熱板進行預(yù)熱并使溫度從焊接開始到消氫開始時保證不低于預(yù)熱溫度。預(yù)熱范圍應(yīng)至少覆蓋從坡口邊緣起100 mm和或板厚的3倍，取兩者的較小值。測溫點應(yīng)設(shè)在加熱的背面。層間溫度不超過230℃。

5）使用低氫J607RH焊條對氣蝕凹槽部位進行第一次堆焊。焊接過程中應(yīng)力消除措施:對于現(xiàn)場焊縫，在每一道焊縫焊后必須立即錘擊消除應(yīng)力，打底的3層焊縫不得錘擊。為了避免錘擊產(chǎn)生裂紋，錘擊用的榔頭頭部必須是圓的，其圓弧半徑不小于5 mm，錘擊部位必須在焊道的中間，不得錘擊焊趾部位，錘擊應(yīng)沿著焊縫方向進行，直到焊縫表面出現(xiàn)均勻麻點為止。減少淬硬組織措施：采用窄道焊進行焊接，要求焊縫擺動寬度不超過4倍焊條直徑；控制焊接電流不大于130 A，減少焊接熱輸入量，要求最大熱輸入量不超過38 kJ/cm。

6）座環(huán)氣蝕點第二次堆焊。注意控制道間溫度在230℃以下。

7）座環(huán)氣蝕點第三次補焊。

8）焊接完成后且溫度未低于100℃前立即進行200～250℃熱處理，且保溫4 h[2]，之后采用石棉被保溫緩冷至環(huán)境溫度，加速焊接接頭中氫的擴散逸出，防止出現(xiàn)冷裂紋缺陷。

9）座環(huán)氣蝕檢修整體打磨。一方面打磨焊縫表面及焊疤、割除連接塊、騎馬塊后遺留疤痕，另一方面焊后將固定導(dǎo)葉打磨成修型樣板的流線。打磨完成后進行探傷。

10）表面清掃。

11）處理完畢后測量活動導(dǎo)葉立面間隙及固定導(dǎo)葉上下環(huán)板高度，若間隙合格并且固定導(dǎo)葉上下環(huán)板高度最大值與最小值相差1 mm以內(nèi)，則說明氣蝕處理后座環(huán)變形較小。

12）對全部打磨部位進行清理并且干燥處理后，使用紅色環(huán)氧底漆4508先刷第一道底漆，底漆厚度50 μm，再使用環(huán)氧煤焦油面漆1513作為面漆。面漆總厚度300 μm。涂裝后的保護層應(yīng)做到表面光滑，顏色一致，無皺紋、氣泡、流掛、漏涂等缺陷。

4 結(jié)語

座環(huán)的作用一方面在于承受蝸殼、頂蓋重量，另一方面在于將沿著蝸殼形成的水流流線安置，當(dāng)座環(huán)固定導(dǎo)葉發(fā)生氣蝕后，不僅影響其支撐強度，而且破壞水流流線，降低發(fā)電效率。本文分析了S500Q EN10137-2鋼材焊接特性，并詳細介紹了座環(huán)固定導(dǎo)葉氣蝕處理的方法及工藝，對同類型抽水蓄能電站座環(huán)氣蝕處理具有一定參考意義。

[1]王煥棟.新安江水電站水輪機空蝕處理經(jīng)驗[J].水利水電技術(shù),1978(3):45-47.

[2]趙瑞輝.鋼管樁用Q500C材料焊接工藝[J].船舶與海洋工程,2015(6):31-33.