汽輪機(jī)低壓外缸組合焊接變形分析及應(yīng)對(duì)措施

張建武

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省火電第三工程股份有限公司，黑龍江 哈爾濱 150016)

大型新建機(jī)組汽輪機(jī)低壓外缸的上下部件外形尺寸較大，為方便運(yùn)輸，采用散件供貨，而后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接。低壓外缸雖其外形體積較大，但其組合焊接后的尺寸精度卻要求比較高，變形過(guò)大將導(dǎo)致合缸時(shí)中分面間隙超標(biāo)，上下錯(cuò)位，給內(nèi)缸等部件安裝造成障礙，并會(huì)造成機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中真空值下降的現(xiàn)象，威脅機(jī)組安全運(yùn)行。這就要求作業(yè)人員在安裝過(guò)程中充分重視，采取多項(xiàng)措施來(lái)解決這一問(wèn)題。

1 汽輪機(jī)低壓外缸簡(jiǎn)介

低壓外缸是焊接構(gòu)件，也是汽輪機(jī)本體中尺寸最大的部件，采用厚鋼板制成，上半部為圓形的桶狀弧形結(jié)構(gòu)，其上端設(shè)有低壓聯(lián)通管接口和大氣安全閥部套。下半部是長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)有鋼結(jié)構(gòu)支撐。外缸上下半通過(guò)方形框式法蘭連接。整個(gè)外缸通過(guò)設(shè)在下部的支架底板支撐于基礎(chǔ)臺(tái)板上。也有部分機(jī)組低壓外缸與凝汽器喉部焊接并支撐于凝汽器上。

低壓外缸的作用在于支撐和固定低壓內(nèi)缸與持環(huán)，與凝汽器構(gòu)成一個(gè)封閉獨(dú)立空間，在此空間內(nèi)建立真空，利于蒸汽充分做功。

2 汽輪機(jī)低壓外缸組合焊接變形的原因分析

2.1 設(shè)備制造方面

運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的低壓外缸由制造廠在廠內(nèi)拼焊成幾個(gè)組合體，廠家在厚鋼板下料時(shí)一般是采用火焰切割，這樣會(huì)造成鋼板不同程度的變形，并留有殘余熱應(yīng)力。上半弧形板在卷制過(guò)程中弧度偏差過(guò)大時(shí)，采用內(nèi)部結(jié)構(gòu)支撐進(jìn)行強(qiáng)力固定，致使大部應(yīng)力留在其中。設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組合時(shí)，因焊接受熱使缸體結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力釋放，致缸體外形尺寸發(fā)生較大變形，嚴(yán)重時(shí)造成外缸上與體下體組合部分間隙超標(biāo)，給機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)隱患。缸體有些部件在廠內(nèi)已進(jìn)行部分組對(duì)焊接，在作業(yè)過(guò)程中，工作人員如不采取相應(yīng)措施，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)大偏差和變形現(xiàn)象。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)組合焊接方面

設(shè)備在安裝期間沒(méi)有把好質(zhì)量關(guān)，主要有以下兩方面原因。

(1)殼體現(xiàn)場(chǎng)組合時(shí)，整體幾何尺寸偏差超標(biāo)；現(xiàn)場(chǎng)切割下料時(shí)，采用火焰加工方式，增大熱變形；需焊接的對(duì)口間隙過(guò)大，導(dǎo)致焊接變形增大；沒(méi)有采取必要的防變形措施。

(2)焊接方法選擇不對(duì)，焊接參數(shù)選擇不合適，施焊順序不正確等。

3 減小低壓外缸組合焊接變形的措施

3.1 設(shè)備制造方面

針對(duì)設(shè)備制造過(guò)程中產(chǎn)生的變形問(wèn)題，可在簽定設(shè)備技術(shù)協(xié)議時(shí)，增加變形控制要求。并要求廠家采取以下措施進(jìn)行廠內(nèi)制作：

(1)采用冷加工工藝進(jìn)行鋼板切割。如近幾年興起的高壓水切割工藝，可有效解決鋼板熱變形問(wèn)題，又無(wú)熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

(2)弧形板在卷制過(guò)程中，大型卷板機(jī)可采用數(shù)字電腦控制，基本能消除弧度偏差。

(3)廠內(nèi)部件焊接時(shí)，采用熱能量小的半自動(dòng)或自動(dòng)焊接工藝，并按合理的焊接順序進(jìn)行。(4)加強(qiáng)廠內(nèi)施工過(guò)程驗(yàn)收和過(guò)程控制。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)組合焊接方面

3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)下料

廠家運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)的散件均留有切割余份，需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行二次下料組合。在沒(méi)有條件使用冷加工而只能用熱切割的情況下，施工單位應(yīng)使用火焰磁力自動(dòng)切割機(jī)，這樣可有效降低熱變形的產(chǎn)生。在切割前要進(jìn)行試組裝，測(cè)準(zhǔn)切割量，以防過(guò)度切割從而造成對(duì)口間隙過(guò)大。一次測(cè)不準(zhǔn)，可進(jìn)行多次測(cè)量、切割和試裝，最終達(dá)到圖紙要求。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)組合焊接

以常規(guī)國(guó)產(chǎn)汽輪機(jī)低壓外缸為例。一般廠家按外缸下半分兩件端板、兩件側(cè)板和部分內(nèi)部框架支撐的形式供貨?，F(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)將幾何尺寸偏差控制在1mm內(nèi)，水平中分面法蘭是低壓外缸組合的關(guān)鍵控制點(diǎn)，其錯(cuò)邊超標(biāo)將造成汽缸上下半結(jié)合間隙超過(guò)規(guī)定值，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)超標(biāo)處泄漏，令機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行。此中分面法蘭對(duì)口誤差需控制在5μm范圍內(nèi)，下面列出對(duì)口時(shí)控制措施。

(1)外缸下半組合

將低壓外缸下半端板和側(cè)板分別吊放至安裝位置，用支架進(jìn)行臨時(shí)支撐，測(cè)量并調(diào)整側(cè)板位置，使其側(cè)板中分面與端板中分面齊平，見(jiàn)圖1，利用塞尺檢測(cè)中分面齊平情況，直至達(dá)到廠家圖紙要求。

圖1 檢查側(cè)板與端板水平中分面的對(duì)齊情況

低壓外缸下半側(cè)板與端板角縫對(duì)接是控制缸體整體幾何尺寸的關(guān)鍵部位，利用圖2所示的調(diào)整夾具來(lái)調(diào)整立板的垂直度和角焊縫間隙，使其達(dá)到圖紙要求。

圖2 調(diào)整夾具

依上述方法將端板與側(cè)板調(diào)至合適位置后，按相關(guān)產(chǎn)品圖紙及圖3，測(cè)量各相關(guān)尺寸。

圖3 外缸下半側(cè)板與端板找中測(cè)量

若不符合圖紙要求，則重新調(diào)整。調(diào)整合格后，將端板與側(cè)板臨時(shí)點(diǎn)焊固定，然后吊入低壓外缸鋼架，將鋼架臨時(shí)支撐于凝汽器上或者懸吊于軸承座上，測(cè)量鋼架中各管子的安裝長(zhǎng)度，割去余量后將各鋼架臨時(shí)點(diǎn)焊固定。

(2)外缸下半焊接

按圖紙及焊接工藝規(guī)范要求將低壓外缸下半端板與側(cè)板焊接，焊接時(shí)用百分表在中心導(dǎo)向銷處和軸承座上低壓內(nèi)缸貓爪支撐臂處監(jiān)測(cè)外缸變形情況。低壓缸外缸焊接均采用CO2氣體保護(hù)焊。在正式大面積施焊前，先將各焊縫進(jìn)行對(duì)稱點(diǎn)焊固定，焊點(diǎn)要短小且要均勻分布。正式焊接順序?yàn)橄群杆牡懒⒔强p，再焊水平中分面法蘭。下缸四角由四名焊工采用分段跳焊法同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱焊接，低壓外缸下半焊接順序如圖4，按A-B-C-D-E-F(為水平中分面法蘭)的順序。

圖4 外缸下半角縫焊接順序

水平中分面法蘭現(xiàn)場(chǎng)制成K型焊接坡口，即圖4中F處采用上下對(duì)稱多層多道焊接。焊接過(guò)程中安排專人監(jiān)測(cè)百分表，當(dāng)其中任意兩塊表的差值達(dá)到0.1 mm，或任意一個(gè)表變化值達(dá)到0.5 mm時(shí)，要全部停止焊接，當(dāng)降溫后百分表值回到可控范圍時(shí)，再繼續(xù)施焊完成。

(3)外缸上半組合

將上半各分體弧板放在已組合好的外缸下半法蘭上面組對(duì)。上半弧板的組合控制見(jiàn)圖5，利用斜楔對(duì)上半弧板進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，將弧板之間進(jìn)行對(duì)稱點(diǎn)焊固定。此弧形焊縫間隙盡量選設(shè)計(jì)下限，且要均勻一致。

圖5 上半弧形板組對(duì)調(diào)整

外缸上半水平中分面的法蘭對(duì)口與弧板同步進(jìn)行，對(duì)口見(jiàn)圖6，利用壓板對(duì)上半法蘭進(jìn)行調(diào)整，用塞尺檢測(cè)平整度，達(dá)到廠家技術(shù)要求后，再對(duì)上半法蘭體對(duì)稱位置進(jìn)行焊接固定。

圖6 上半缸體法蘭組對(duì)時(shí)水平度檢查與調(diào)整

(4)外缸上半焊接

低壓外缸上半部分的鋼板具有壁厚較大、組合焊接量較多、外缸整體鋼度較低等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，致使其在組合焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形。為避免焊接變形超標(biāo)，可采取如下措施：

①在組合焊接前通過(guò)外缸上半部分與下半部分的水平結(jié)合面法蘭螺栓將其連接為一個(gè)整體，以增大抗變形能力。

②在結(jié)合面法蘭部位每隔300～400 mm固定一塊工藝板和楔形塊(具體形式見(jiàn)圖6中件3和件4)，該工藝板和楔形塊對(duì)結(jié)合面法蘭起剛性固定作用，防止焊接時(shí)法蘭向上翹起變形。

③弧板焊縫為對(duì)接焊縫，開(kāi)V型坡口，減小焊接熱能量輸入。

④焊接時(shí)采用兩名焊工分層焊接，每層按圖7所示順序同步對(duì)稱施焊，不得在某一處一次焊完所有焊層，應(yīng)一層層地進(jìn)行。

圖7 上半弧板焊接順序

焊接過(guò)程中為了控制缸體的變形，在其四周架設(shè)8個(gè)百分表對(duì)熱變形量進(jìn)行全程監(jiān)控，每隔20分鐘記錄一次。在施焊過(guò)程中，各焊工焊接速度需保持一致，若發(fā)現(xiàn)變形量不一致或即將超標(biāo)時(shí)，立即停止變形量大的一側(cè)的焊接工作。

表8為上海電氣集團(tuán)生產(chǎn)的135 MW凝汽式汽輪機(jī)低壓外缸在現(xiàn)場(chǎng)組合焊接時(shí)的變形監(jiān)控值，可供同行參考。

表8 百分表對(duì)熱變形量進(jìn)行全程監(jiān)控值

(5)中分面法蘭間隙檢驗(yàn)

焊后待缸體達(dá)到環(huán)境溫度，將外缸水平中分法蘭結(jié)合面螺栓全部松開(kāi)，用塞尺檢驗(yàn)中分面法蘭間隙是否達(dá)圖紙要求，并按圖紙及焊接規(guī)范要求檢測(cè)焊縫。

(6) 應(yīng)力消除

缸體焊接過(guò)程中，要使用手錘適當(dāng)敲擊方法進(jìn)行應(yīng)力釋放。敲擊時(shí)機(jī)選擇在每道焊縫的每層焊接結(jié)束時(shí)，或在每天午間下班和晚間下班前進(jìn)行。錘擊力度不要過(guò)大，錘擊點(diǎn)分布均勻連續(xù)。

4 結(jié)語(yǔ)

焊接變形一直是汽輪機(jī)低壓外缸組合時(shí)較為復(fù)雜、難以控制的關(guān)鍵工序，在施工現(xiàn)場(chǎng)若采用合理焊接方法和焊接順序，能夠有效控制低壓外缸焊接變形問(wèn)題，減少不必要的返工，為機(jī)組早日進(jìn)入下道工序創(chuàng)造條件。以上是針對(duì)國(guó)產(chǎn)火電廠大容量汽輪機(jī)低壓外缸組合時(shí)出現(xiàn)的焊接變形，提出的幾點(diǎn)控制措施，供大家參考與借鑒。

參考文獻(xiàn):

[1] 上海汽輪機(jī)廠．LZC139-13.2/1.4/555/550 型聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)安裝說(shuō)明書(shū)[Z]．上海：上海汽輪機(jī)廠，2013．