水電站金屬蝸殼安裝與焊接工藝

李鳳倫

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 概述

苗尾水電站蝸殼為金屬蝸殼，采用鋼板焊接結構。蝸殼材料選用可焊接性好的600 MPa級、材質為B610CF的優質高強度鋼制作，整套蝸殼分為進口延伸段和本體兩部分，單節到貨，最大截面直徑Φ8 760 mm，由36節組成，板厚從28～55 mm共計26種規格，總重381.90 t。蝸殼安裝采用現場掛裝及焊接的工藝措施，待焊接探傷和防腐結束后，安裝附屬配件和管路，然后鋪設彈性墊層、澆筑混凝土。在蝸殼進口延伸段第4節右上方設有一個DN600 mm的取水管，底部設有直徑Φ500 mm蝸殼檢修排水管，在本體段第14節的左下角設有1個蝸殼進人門，在蝸殼本體及進口延伸段共計設置了11個壓力測頭，作為機組運行時的監測設備。

2 施工準備

2.1 技術準備

施工作業前，要求施工作業隊負責人、技術人員及班組成員必須認真熟悉廠家圖紙、《水輪發電機組安裝技術規范》GB/T8564-2003、技術部門編制并經監理部批復的施工技術措施、安全措施；并要求施工作業隊負責人、技術主管、施工技術員及生產骨干熟悉了解整個施工工藝程序和工藝質量要求，在對設計圖紙和規范所述的安裝程序和方法完全理解后，由技術質量部向所有施工人員進行詳細的技術交底后，方可開始蝸殼的安裝工作。

2.2 蝸殼掛裝前清掃

蝸殼管節運至尾水渠平臺處存放，掛裝前將坡口打磨除銹、清理干凈。

2.3 蝸殼掛裝測量控制點設置

根據蝸殼各節方位角度計算出測量點線圖，在機坑內用全站儀放到地面上，打上永久標記，作為蝸殼掛裝測量控制點。

2.4 蝸殼基礎板安裝

根據尾水以上基礎圖提供的安裝數據，利用全站儀配合水準儀進行蝸殼基礎板的安裝。

3 蝸殼安裝

根據廠家提供的《苗尾水輪機安裝說明書》和《苗尾水輪機蝸殼工地組焊工藝守則》，蝸殼共有4節湊合節，分別為與壓力鋼管相接的進口第6節（配割余量位于壓力鋼管上）、蝸殼本體第3節、蝸殼本體第11節、蝸殼本體第20節（每節湊合節進口都預留150 mm的配割余量待安裝時根據湊合段的實際尺寸切除）。與之相對應的4節定位節分別為進口段第1節、本體第7節、第15節、第29節。湊合節、定位節詳細位置見圖1。

3.1 蝸殼定位節掛裝

定位節掛裝程序：檢查座環及蝸殼節的開口尺寸→掛裝→調整→驗收→支撐固定。

圖1 湊合節、定位節布置圖

定位節吊裝到位后，用千斤頂、拉緊器來調整其位置，用水平儀、鋼卷尺、線錘來檢測管口的方位、最遠點半徑、垂直度、高程合格后，在定位節外緣用千斤頂支承，并用拉緊器固定，按工藝要求將其與過渡板點焊。

3.2 蝸殼其余管節掛裝

其他節掛裝程序：掛裝→調整→驗收→支撐固定。

定位節掛裝定位合格后，按蝸殼掛裝順序依次掛裝其他蝸殼其余管節，同時按要求支撐、調整與定位節相鄰的管節及焊縫的錯牙與間隙。合格后，點焊環縫，點焊適宜在背縫側，點焊時用烤槍預熱。

每個掛裝方向調整好2條以上環縫后開始焊接第1條環縫。采取邊掛邊焊接的方式依次安裝其他管節。

3.3 湊合節安裝

湊合節安裝程序：測量→配割→掛裝→預熱→焊接（先縱后環）。

其他管節安裝、焊接完成后，在蝸殼與座環過渡段焊接前，進行湊合節瓦塊的安裝。湊合節瓦塊采取在現場進行配割的方法，切割前需進行預熱，湊合節吊裝前，測量相鄰管節的幾何尺寸及湊合節安裝位置的尺寸，確定切割位置及余量。

湊合節瓦塊先吊裝底部瓦塊、后掛裝頂部瓦塊。

根據所測量的尺寸將瓦塊調整到位，瓦塊盡量貼近蝸殼。按實際位置劃切割線，進行切割。切割時，將瓦塊稍微墊高，避免割傷蝸殼。切割完畢后，將瓦塊調整到位，點焊瓦塊。瓦塊坡口用角磨機打磨出金屬光澤。

3.4 蝸殼與壓力鋼管湊合節安裝

蝸殼直管段掛裝時，校核壓力鋼管實際中心。以壓力鋼管實際中心和蝸殼定位節出口實際中心連線作為蝸殼與壓力鋼管湊合節安裝的中心控制線。按逆時針順序依次掛裝調整蝸殼延伸段。

4 蝸殼安裝質量檢測

為保證蝸殼安裝質量，制定明確安裝測量方法及控制操作程序，具體標準如下：

（1）蝸殼直管段中心與Y軸線的距離±17.5 mm（±0.002 D）。

（2）蝸殼直管段中心高程F偏差±4 mm。

（3）蝸殼最遠點高程F偏差±10 mm。

（4）蝸殼最遠點半徑Ra偏差±10 mm或0.003 r（r蝸殼各斷面半徑值，蝸殼最遠點到機組中心線的距離，當0.003 r大于±10 mm時按±10 mm控制，當0.003 r小于±10 mm時，按0.003 r控制）。

（5）蝸殼斷面中心到機組中心的距離Rc偏差±8 mm。

（6）定位節管口與基準線允許偏差±4 mm。

（7）定位節管口傾斜值小于±4 mm。

（8）各節間蝸殼與座環連接的對接焊縫間隙一般為0～3 mm，過流面錯牙不應超過板厚的10%，縱縫錯牙不大于2 mm；環縫錯牙不大于3 mm。

（9）坡口對接焊縫長度10%的范圍內允許有長度不大于4 mm的局部間隙。

根據測量隊、測量監理及建設部測量中心提供并校核合格的基準點和放樣點，調整蝸殼定位節（定位節與基準線偏差、定位節管口傾斜度、最遠點高程、最遠點半徑）。

定位管節就位后，質量檢驗按照圖2進行掛線和使用水準儀測量，其余管節各控制尺寸經鋼卷尺、水準儀檢測滿足要求后進行加固。蝸殼掛裝尺寸檢查示意如圖2所示。

5 蝸殼焊接

5.1 蝸殼定位焊

蝸殼安裝定位焊必須采用與正式焊接相同的焊接工藝、焊接規范以及安排經考試合格并取得相應焊接資質的焊工進行焊接。在焊縫上每隔300～500 mm定位焊一段，每段定位焊長度約為50～80 mm。用目視檢查定位焊焊縫，若有任何缺陷，如裂紋、氣孔等必須在焊接正式焊縫前采用打磨的方法徹底去除。

圖2 蝸殼掛裝尺寸控制示意圖

5.2 蝸殼環向焊縫焊接

蝸殼安裝環向焊縫安排8～10名焊工對稱、同時進行環向焊縫的焊接，焊接順序見圖3所示。焊接材料為CHE62CFLH焊條。正式焊接時，采用多層多道、對稱、分段退步焊接。焊前預熱溫度為100～120℃。當預熱溫度達到要求后，用φ3.2 mm的電焊條先從大坡口一側進行打底焊接，打底焊分3層總厚度不超過10 mm，焊接完成后用φ4.0 mm的電焊條進行填充焊接，焊至坡口深度的2/3后（此厚度可以根據蝸殼實際板厚進行適當調整，但厚不能超過坡口深度的2/3），進行背縫碳刨清根并進行MT檢測合格后，再用φ3.2 mm的電焊條對背縫進行打底焊接，打底焊分3層總厚度不超過10 mm；完成后用φ4.0 mm的電焊條進行填充，焊接至坡口深度的2/3后，對正縫、背縫進行交替焊接直至焊接完成。

圖3 蝸殼安裝環向焊縫焊接順序示意圖（1、2、3、4為退焊方向）

5.3 蝸殼本體段湊合節焊縫焊接

蝸殼焊接順序：縱縫→第1條環縫→第1條環縫（焊接過程中詳細焊接方法按照蝸殼環縫焊接執行）。

5.4 蝸殼過渡板焊縫焊接

蝸殼本體所有環縫（包括湊合節），進口延伸段環縫（除與壓力鋼管湊合節焊縫）及蝸殼進口段與大舌板焊縫焊接完成后，焊接蝸殼與過渡板的焊縫，焊接順序見圖4所示。焊接時安排16名焊工上、下同時、對稱、分段、退步焊接，焊接時應保持焊接速度一致。

圖4 蝸殼與過渡板焊縫焊接順序示意圖

焊接上過渡板時，先焊內側過流面，焊至坡口深度1/2時，從外部清根，MT合格后，再進行背縫焊接（焊接時分打底焊及焊縫填充過程），背縫焊接至坡口深度的2/3時，進行交替焊接直至焊完。

焊接下過渡板時，先焊外側非過流面，焊至坡口深度1/2時，從內部清根，MT合格后，再進行過流面焊接（焊接時分打底焊及焊縫填充過程），過流面焊接至坡口深度的2/3時，進行交替焊接直至焊完。

過渡板焊接過程中時刻測量座環水平、圓度的變化情況以便調整焊接順序，從而保證座環水平符合要求。

5.5 蝸殼與壓力鋼管湊合節安裝焊接

蝸殼上下過渡板焊接完成后，按照本體段湊合節的安裝方法配割蝸殼與壓力鋼管湊合節。并現場切割蝸殼與壓力鋼管環縫坡口。坡口型式為X型，鈍邊2 mm。

封閉縫焊接前溫度應預熱到100～120℃。焊接均分12個區域，每一區域內又分6段由12名焊工均勻、對稱、分段、采取多層多道的焊接方式。

蝸殼與壓力鋼管焊接時全部采用CHE62CFL Φ3.2的電焊條焊接。焊接不間斷，分3班進行，一次連續焊接完成。

焊接過程中除打底3層和蓋面不進行錘擊消應外，其余各層焊接完成后安排專人用小型風鎬進行錘擊消應，每一層消應時間不低于2 h，參與消應人數不少于4人。

5.6 蝸殼安裝焊縫的后熱處理

蝸殼焊接層間溫度、后熱溫度，以及后熱升溫速度和降溫速度均按廠家技術要求進行。層間溫度不應低于預熱溫度且不高于230℃。

高強鋼蝸殼環縫焊接應連續焊完并按廠家技術要求進行后熱消氫處理，蝸殼在焊接完成后按照廠家技術要求立即升溫至后熱溫度并保溫到所要求的時間后，再緩慢降溫來進行消氫處理。如圖5所示。

圖5 蝸殼焊縫預熱、層間保溫及后熱消氫處理示意圖

6 蝸殼安裝焊縫的質量檢查及消缺

6.1 焊縫外觀質量檢查

蝸殼安裝焊縫的外觀質量應符合廠家技術要求，同時應符合DL/T5070-2012《水輪機金屬蝸殼現場制造安裝及焊接工藝導則》中的如下規定：

（1）焊縫表面不允許出現裂紋、氣孔、夾渣；

（2）咬邊：咬邊深度不大于1 mm，且連續長度不應大于100 mm，兩側咬邊累計長度不應大于焊縫全長的10%；

（3）焊縫余高：0～3 mm（過流面焊縫表面的余高及打磨質量嚴格執行廠家要求）；

（4）焊縫寬度：蓋過坡口每邊2～3 mm，并平緩過渡；

（5）氣孔：一類、二類焊縫不允許。

6.2 焊縫無損檢測

蝸殼安裝縱縫及蝸殼與座環連接焊縫進行100% TOFD檢查探傷，在不可能用射線檢查的部位，進行100%超聲波探傷檢查；對所有的環焊縫進行100%超聲波探傷，有懷疑的地方用TOFD復查。所有的蝸殼內表面的焊縫均按要求進行打磨，打磨到不凸出表面1.5 mm的高度并平滑過渡，對所有焊縫打磨平整后進行100%MT表面探傷。

實際安裝施工中，蝸殼安裝焊縫無損探傷采用的方法及檢測質量標準嚴格按廠家技術要求進行，各項無損檢測符合優良標準要求。

6.3 缺陷返修

同一部位焊縫缺陷返修次數一般不應超過2次，特殊情況下超過2次以上的焊縫返修處理應報經施工現場監理工程師批準，并做好記錄，詳細記錄焊縫的編號、缺陷的位置、長度、性質等，并分析缺陷產生的原因及返修處理結果。

6.4 拉板拆除

去除各種拉板及附件時不應使用錘擊的方法，應用碳弧氣刨切割（或用氧-乙炔火焰切割），并留出約3～5 mm的余量后用手動砂輪機打磨平滑，并做著色滲透探傷無損檢測。

7 結語

水電站在蝸殼安裝過程中對軸線放樣及定位節等安裝均采用了全站儀進行放樣和檢測，消除了以往拉鋼琴線用鋼卷尺測量帶來的人為測量誤差。同時在蝸殼安裝期間為保證對座環產生的變形，利用水準儀配合螺旋測微儀對座環進行定期復測。因此蝸殼掛裝的組裝間隙控制在了0～2 mm范圍內，優于圖紙技術要求0～3 mm，為焊接質量提供了保證，達到了蝸殼安裝質量優良的標準，同時1號機組蝸殼安裝還被業主單位評為樣本工程。