黃登水電站475 MW水輪機座環現場焊接

屈博興，王國輝，趙 通

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000）

黃登水電站位于云南省怒江州蘭坪縣境內，是云南瀾滄江上游古水至苗尾河段水電梯級開發方案的第五個梯級水電站，壩址位于營盤鎮上游，以發電為主，屬Ⅰ等大（1）型工程。電站引水發電系統布置在左岸，為地下廠房，電站進水口為庫岸豎井式，采用單機單管供水方式。電站地下廠房共安裝4臺立軸混流式水輪發電機組，總裝機容量1 900 MW，安裝4臺單機容量為475 MW的水輪發電機組，電站保證出力515.52 MW，年利用小時4 515 h，年發電量85.78億kW·h。下面敘述黃登水電站水輪機座環的現場焊接工藝。

1 座環主要結構

座環裝配由支持環、座環本體、基礎環及其他附件組成。座環采用平行式帶過渡板和導流環組焊結構，部分過渡板和導流板需現場裝焊。座環裝配（包括支持環和基礎環）高5 230 mm（座環上法蘭面加工后），座環最大外徑11.16 m。考慮到運輸條件限制和安裝等因素，座環分為六瓣制造，每瓣分半面設臨時分瓣法蘭，在工地組焊成整圓。座環本體與支持環、基礎環為分開結構，須在現場各自組焊后再按照嚴格的裝配工藝依次裝焊成整體。座環裝配與頂蓋把合的法蘭面上120個M100螺孔和與底環把合的法蘭面上24個M64螺孔在制造廠內均已精加工完成。座環支腿設12個M100的地腳螺栓和12個M64的千斤頂，用于座環的安裝固定。其工地組焊主要包括以下部分的工地焊接，見圖1。

圖1 座環工地組焊示意圖

2 座環焊前準備

座環在安裝現場組裝合格后，為確保焊接人員順利施焊和滿足相關的焊接技術條件，在座環組焊工位搭設合理的焊工施焊工作平臺。由于焊接空間有限，該平臺充分考慮了焊接部位和焊工的個人情況。座環分六瓣，參加座環焊接的人員每班12人，座環上、下環板同時對稱施焊，焊接過程中應嚴格執行相關的安全文明施工要求。焊工均為監理和安裝單位認可持有資質認證的全位置手工焊的合格焊工，且在正式焊接前進行了模擬試塊焊接考試，考試合格者方能上崗。

2.1 焊接環境

（1）手工電弧焊風速不大于8 m/s，氣體保護焊風速不大于2 m/s；

（2）焊接區域1 m范圍內相對濕度不大于90%；

（3）環境溫度不低于0℃；

（4）施工工位不能有水流影響；（5）現場照明條件良好。

2.2 施工設備及工器具

座環組焊焊縫的焊接采用的焊接方法為手工電弧焊。

（1)手工電弧焊使用的設備為直流弧焊機；

（2）焊接設備經常維護和保養，定期檢查，使之處于完好狀態，確保焊接工作的正常進行；

（3）焊接設備外殼必須可靠地進行接地保護，以防止焊機外殼漏電時危及人身安全。

3 焊接變形控制措施

（1）焊接前在座環上平面安裝測量上、下同心度的求心架和鋼琴線，鋼琴線與座環上鏜口尺寸同心，測量座環上下環板、底環板的同心度；

（2）焊接前在座環中心架設水準儀，以便焊接過程中檢測座環上環板和底環板平面的水平變化情況；同時在座環上下環板組合縫內外兩側打上洋沖點 l-l’、2-2’、3-3’、4-4’……，每焊一層利用游標卡尺測量各焊縫的收縮情況；

（3）為了更有效更直觀地監測座環各瓣體在焊接過程中的變形量，現場在每瓣座環角平分線位置的上、下環板及底環板上架設百分表實時、連續、準確檢測座環上、下環板的軸向和徑向變形量及底環板內圈的水平變化，為現場及時調整焊接工藝提供有力數據支撐；

（4）為了更好地達到控制座環焊接變形的目的，現場還需用40鋼板Q235A制作一定數量的“U”形搭板，在座環開始焊接前用其將座環分瓣面處的坡口進行搭焊固定，搭板的焊接位置不能影響焊工正常操作。

開焊后，間隔一定時間，對所有數據進行測量記錄、整理分析，如發現異常變化則立刻停止焊接，調整焊接速度、線能量或焊接順序，直至合格為止。檢測示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 座環焊接變形檢測示意圖1

圖3 座環焊接變形檢測示意圖2

4 焊接要求

焊接材料采用設備廠家提供的焊條，到貨焊條要求放置于通風、干燥和室溫不低于5℃的專設庫房內。焊接材料管理、烘焙、發放和回收應有專人負責，焊條必須按照說明書要求的溫度和時間進行烘焙，嚴格按工藝要求進行并設專人烘焙和發放，同時保管人員要做好實測溫度和焊條發放記錄。

4.1 清理焊縫

（1）焊縫待焊表面及其附近50 mm范圍內不得有油污、鐵銹、油漆等有害焊接質量的雜質，同時要求對坡口進行打磨露出金屬光澤；

（2）對于ADB610D、S550Q、S500Q等高強鋼材料若采用碳弧氣刨清理，清理前應進行預熱，預熱溫度≥80℃。

4.2 鋪設加熱片

加熱片鋪設根據其功率、焊接位置、座環結構及現場環境進行，設2名電工負責焊縫預熱等日常維護工作，設1名電工配合質檢人員進行溫度檢測和記錄。

4.3 焊縫溫度控制

為避免在對焊縫反復預熱過程中出現溫度變化異常等情況的發生，正式對座環進行焊接時，無特殊情況采用兩班不間斷連續焊接。因人員配置或其他特殊情況，中途中斷焊接時應立即對焊縫進行保溫，保溫溫度≥80℃。安裝單位質檢人員不間斷對層間溫度進行控制，并保證層間溫度不大于200℃，不低于預熱溫度。

4.4 清根焊縫控制

（1）清根焊透的焊縫，應在清根側進行定位焊，定位焊焊縫應在清根過程中清除；對于不清根的焊縫，定位焊焊縫在正式焊縫有一定強度、厚度后清除；

（2）完成焊縫碳弧氣刨清根后，用砂輪機除去滲碳層并打磨坡口，除去坡口內所有飛濺和熔渣等雜物顯金屬光澤，然后進行MT探傷，探傷合格后方可進行下一道工序。

4.5 焊接方法

（1）用φ3.2焊條進行打底焊，擺動寬度不大于3倍焊條直徑，焊接速度要適宜；

（2）焊接采用多層、多道、分段、對稱、退步的焊接方法，除底層和蓋面層外，每焊一層應及時錘擊焊縫以釋放焊接應力，并在整個焊接過程中隨時監視焊接變形，以調整焊接順序、焊接量，且焊接時需注意保護焊縫附近的加工面，避免焊接飛濺損傷加工面。

5 座環的預熱

用電加熱器預熱座環組合縫上下側待焊區及鄰近區域，使待焊區及其附近100 mm范圍內達到要求的預熱溫度，且整個焊接過程中不低于預熱溫度，特別要求坡口背面的對應區域亦按前述要求預熱。預熱采用溫控儀進行加熱控制，用遠紅外測溫儀進行溫度監測，并形成書面記錄。當工件厚度小于50 mm時，測量距坡口邊緣4倍板厚范圍內的溫度，且不超過50 mm；當工件厚度超過50 mm時，測量至少為距坡口邊緣75 mm范圍內的溫度。座環預熱示意圖如圖4所示，預熱到焊接工藝要求的預熱溫度后即可開始焊接。

高強度鋼現場預熱焊接受各種環境因素的影響，然而預熱控制卻是整個過程控制的重中之重。預熱可以減緩焊縫的冷卻速度，消除部分焊接應力；可以降低因應力對焊縫造成的焊接裂紋。所以，預熱控制的好壞將直接影響最終焊接質量，這就要求預熱人員定期監控，對焊接溫度定期進行檢測，若加熱片損壞要及時更換和維修。

圖4 座環環板、過渡板組焊預熱示意圖

6 焊后消氫要求

座環環板、過渡板等高強鋼焊縫焊接完成后需立即進行消氫處理，加熱溫度為250～300℃，溫升不大于50℃/h，要求保溫時間不低于4 h；保溫時間達到后緩慢冷卻，降溫速度不大于30℃/h。在消氫過程中必須嚴格控制溫度變化。從焊接開始直至消氫結束，焊縫溫度不得低于80℃。座環裝配預熱消氫示意圖見圖5。

圖5 座環裝配預熱消氫示意圖

7 座環焊接

清理安裝場地，準備相關裝配件、工裝和工具。按照座環裝配圖、座環加工圖和安裝說明書相關要求進行組裝，高度可按實際情況而定，但必須適合焊工仰焊操作。組裝后各分瓣法蘭面間隙及錯牙值的大小均須滿足相關的技術要求。同時檢查座環各加工面尺寸合格后，在不影響焊工正常焊接的情況下，用若干厚40 mm的“U”形搭板將座環上下環板焊縫、座環立圈焊縫、座環底板焊縫搭焊牢固。

7.1 座環焊接焊材選用

座環包括上下環板、立圈、底環板、上下過渡板、上下導流板共3種材質的現場組焊，必須正確使用焊材才能保證座環的焊接質量，焊材及焊縫位置見表1。

表1 座環焊縫位置及對應焊材

7.2 座環焊接

在座環上下環板分辨面處對焊接變形進行監測，當座環上下環板水平或座環上下環板鏜口尺寸變化超過0.5 mm時，暫停焊接，及時進行焊接順序的調整。座環焊接順序如圖6所示，其中導流板的裝焊應在蝸殼裝焊完成后進行。

圖6 座環現場組焊工藝順序示意圖

8 基礎環與座環裝焊

（1）基礎環組裝焊接完成后，用橋機預先調入機坑就位，等座環安裝加固完成后再進行基礎環與座環的組焊工作；

（2）按圖進行基礎環與座環的組裝，將基礎環的高程、水平和與座環的同軸度調整至合格后進行基礎環與座環環縫的焊接工作；

（3）按4.1條所述進行清理，按5條進行預熱，先進行定位焊，要求在坡口內圓側沿圓周方向均布8段，每段長約200 mm，厚度大于15 mm，焊前預熱溫度≥80℃；

（4）按焊接工藝要求由6名焊工進行焊接，圓周方向采用多層、多道、分段、退步、對稱施焊，焊接量盡可能保持一致；

（5）基礎環與座環環縫內側距過流面6～7 mm時采用不銹鋼焊條焊接。基礎環與座環組焊示意圖見圖7。

圖7 基礎環焊接順序及與座環焊接示意圖

9 支持環與座環裝焊

（1）為使現場蝸殼施焊有足夠的空間，并有效減少支持環的焊接變形，支持環與座環上環板的焊縫應在蝸殼焊接合格后進行焊接；

（2）支持環在機坑內組裝焊接完成后，調整支持環的中心方位、水平、高程和與座環的同軸度滿足要求后，把緊支持環與座環的12個把合螺栓；

（3）按4.1條所述進行清理，按5條進行預熱；定位焊，要求在坡口內圓側沿圓周方向均布8段，每段長200 mm，厚度大于15 mm；

（4）按焊接工藝要求進行焊接，由6名焊工同時施焊，采用分段、對稱、退步的方式進行焊接。焊縫完成焊接后應立即按6條對焊縫進行消氫處理；

（5）將支持環與座環配合外側止口角焊縫按圖進行封焊。支持環與座環組焊示意圖見圖8。

圖8 支持環組裝焊接順序及與座環組焊示意圖

10 焊接檢驗

10.1 外觀檢查

所有焊縫外觀進行100%的檢查，采用目視、焊縫檢驗尺和5倍放大鏡檢查。主要項目包括：焊縫表面及熱影響區的表面裂紋；焊縫余高；焊縫表面咬邊、夾渣、氣孔等。焊縫外觀質量應滿足標準、規范、設計和我公司安裝說明書的要求。

10.2 無損探傷檢查

所有對接焊縫探傷都要依據圖紙及相關要求來做，背縫清根后進行一次MT檢查，正背縫各焊接50%時各一次MT和UT檢查。焊縫全部完成后，再次進行MT和UT檢查。

10.3 返修

探傷過程中若發現超標缺陷，首先對缺陷大小和深度進行標記，然后采用砂輪機或碳弧氣刨將缺陷清理干凈，并作MT或PT探傷，確認無缺陷后，按4.1條所述進行清理，按5條進行預熱，并按上述要求進行返修，返修后按圖要求進行MT+UT探傷直至合格。

10.4 焊后清理

清理所有工藝吊耳、工藝搭塊、拉筋及焊疤，不能采用敲擊的方式，應采用碳弧氣刨或氣割的方式去除，去除時應留3 mm打磨余量，然后采用打磨的方式磨至與母材平齊，必要時進行補焊。補焊按上述要求，補焊后打磨，并按圖紙要求進行PT探傷。

11 結語

黃登水電站水輪機座環的現場組裝與焊接，進行了嚴格的焊接工藝過程控制與質量控制，并強制執行現場安全文明施工形象工程要求，始終把可能出現的質量問題和可能影響焊接的不利因素作為控制的重點及關鍵，對于已經出現的問題，及時提出改進及解決方案，嚴控每個節點，避免同類型問題再次出現。座環焊接完成后經檢查座環上下環板鏜口圓度變化在0.2～1.0 mm以內，座環上下環板鏜口半徑較設計值收縮量小于2 mm，在可控范圍內，且焊縫焊接質量優良，外觀成型美觀，多層多道，無表面裂紋、氣孔、夾渣等，返修量極少，據統計黃登水電站4臺機組的座環焊縫總檢測長度75 380 mm，返修1 220 mm，UT探傷檢測一次合格為98.3 %，PT或MT探傷檢測一次合格率100 %。