白鶴灘水電站大型混流式轉輪焊接質量控制

韓天宇，王智民，楊光輝，陰 添

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽618000）

0 引言

白鶴灘水電站位于四川省寧南縣和云南省巧家縣境內，是金沙江下游干流河段梯級開發的第二個梯級電站，其左右兩岸分別安裝8臺單機容量100萬kW水輪發電機組，總裝機容量1 600萬kW，是在建裝機容量世界第二，單機容量世界第一的水電項目，是世界水電史上首次采用單機100萬kW機組的水電項目，是世界水電行業的“珠穆朗瑪峰”。為了做好白鶴灘水電站這個世紀工程，三峽集團提出了“三個一流”“七個零”目標，貫徹精品理念，制定了白鶴灘機組精品質量標準，將左岸8臺100萬kW水輪發電機組研制任務托付給東方電氣集團東方電機有限公司（以下簡稱：東方機電）。東方電機高度重視，精心研發、精心組織、精益制造，確保全面滿足三峽集團提出的精品機組要求，引領世界水電裝備進入“無人區”，實現能源裝備制造的中國夢。

轉輪是水輪機的心臟，其制造質量直接影響到整個水輪發電機組的安全、穩定與工作效率。東方電機承制的白鶴灘左岸水輪機轉輪為焊接結構，其結構尺寸大，焊接量大，裝焊難度大，對轉輪焊接質量控制及尺寸變形控制帶來很大風險。本文分析了由東方電機承制的白鶴灘水輪機轉輪焊接過程質量風險點，并詳細介紹了如何在焊接生產制造過程中對白鶴灘水輪機轉輪進行有效的質量控制與檢驗，保證轉輪焊接質量滿足三峽精品標準。

1 轉輪結構介紹

白鶴灘轉輪為大型全馬氏體不銹鋼鑄焊結構混流式整體轉輪（圖1），外形結構尺寸巨大，設計總高約3.95 m，最大直徑8.65 m，總重量約360 t。轉輪由上冠（大小兩瓣）、下環（對稱兩瓣）和15件葉片組焊而成，材質均為ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，葉片與上冠、下環為曲面相貫焊接，主要焊縫有上冠拼焊縫、下環拼焊縫、葉片與上冠焊縫、葉片與下環焊縫及其他工藝輔助焊縫（翻身吊攀、拉筋、搭板等），其焊縫設計總長約146 m，設計焊絲用量超12 t。

圖1 轉輪結構示意圖

2 三峽精品指標介紹

白鶴灘水輪發電機組是世界上首批百萬千瓦水輪機組，中國長江三峽集團站在國家戰略高度，為提高中國重型裝備制造水平，為加強白鶴灘水電站機電工程設備制造質量管理，提高白鶴灘水輪發電機組制造水平，把白鶴灘水電站機電工程打造成“精品工程”，對白鶴灘水電站項目提出了精品機組要求。三峽集團在“七個零”目標中提出了“制造零缺陷”，要求制造過程嚴格受控，出廠質量確保零缺陷，不將缺陷帶到現場。且三峽機電工程局于2017年10月17日，制定并下發了《金沙江烏東德、白鶴灘水電站水輪機制造精品檢測標準》（簡稱：《精品檢測標準》）。

3 轉輪裝焊質量風險點分析

3.1 材料風險

白鶴灘轉輪的上冠、下環及葉片母材材質設計均采用低碳高強度馬氏體不銹鋼鑄件ZG04Cr13Ni4Mo，參考 Q/CTG 1-2017《大型混流式水輪機轉輪馬氏體不銹鋼鑄件技術條件》，鑄鋼ZG04Cr13Ni4Mo的化學成分（見表1）與力學性能（見表2）所示。

鑄鋼ZG04Cr13Ni4Mo具有良好的綜合機械性能、耐腐蝕性能及疲勞性能，但其含碳量低，碳當量較高，因此該鋼淬硬傾向較大，冷裂紋敏感性較大，焊接易產生脆化組織和氫致裂紋，可焊性較差。

綜上，該材料的特性給白鶴灘轉輪的焊接質量帶來了一定的風險。

表1 ZG04Cr13Ni4Mo化學成分（質量百分比/%）

表2 ZG04Cr13Ni4Mo力學性能

3.2 結構風險

白鶴灘轉輪結構尺寸大，其最大設計直徑達Φ8 650 mm，為實現運輸條件，轉輪上冠及下環均采用分瓣式結構。分瓣式結構相對于整體式上冠、下環結構，使轉輪在整體焊接前又增加了上冠、下環拼裝組焊的工序，且上冠、下環又是轉輪葉片的裝配基準。所以轉輪上冠、下環拼焊的焊接變形控制影響著轉輪整體尺寸的質量。

白鶴灘轉輪葉片設計坡口長度及深度均在巨型混流式轉輪的設計中名列前茅，焊接量極大。轉輪單片葉片就有200 mm以上的厚度差，葉片坡口尺寸也隨葉片進水邊至出水邊厚度由寬至窄變化，且葉片為不規則曲面形狀，與上冠、下環的焊縫均為曲面相貫結構，同時葉片曲面的變化造成焊接空間位置變化不一，近出水邊葉片間距狹窄，焊接操作難度極大，給焊接質量控制及尺寸變形控制帶來了很大風險。

白鶴灘轉輪的焊縫設計總長約146 m，設計焊絲用量超12 t，大量的焊接熱輸入，使得轉輪焊接時產生大量的焊接應力，不僅加大了焊接裂紋出現的風險，也給焊接尺寸的變形控制帶來極大風險。

3.3 指標風險

白鶴灘轉輪由于設計尺寸大、焊量大，焊接尺寸變形的控制難度極大，而轉輪的流道尺寸直接影響機組的水力性能及運行的穩定性、安全性，轉輪的設計尺寸公差指標十分嚴格，如何控制焊接尺寸以滿足設計尺寸公差指標要求本就是一個難度極大的問題。而三峽集團制定的《精品檢測標準》又給轉輪的制造尺寸公差提出了更高的精品要求。

表3 轉輪焊接尺寸精品標準公差表

在《精品檢測標準》“（五）水輪機轉輪制造質量尺寸檢測標準表”中，三峽集團對轉輪焊接尺寸相關檢測項目的優良值做出了明確的公差指標要求，優良值的允差要求相比GB/T 10969-2008《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》的允差值要更加嚴格（表3），在葉片進口節距、出水邊開口單個值及平均值、進口角單個值等轉輪主要流道尺寸項目的允差上均比國標要求提高了25%，加大了轉輪的焊接質量控制難度。為了滿足用戶所需，需要對轉輪焊接制造進行更加細致完善的質量策劃及更加嚴格精準的質量控制，以確保轉輪最終焊接尺寸滿足精品指標要求，避免尺寸超出精品指標的風險。

3.4 工期風險

作為以百萬精品機組向建黨100周年獻禮的大國重器工程，三峽集團對于白鶴灘項目的工期要求十分嚴格。為確保轉輪的制造周期，避免因大量焊縫缺陷返修而造成的工期影響，東方電機下達了嚴格的轉輪焊縫一次探傷合格率內控精品指標，這給焊接難度極大的白鶴灘轉輪帶來了更加嚴峻的質量控制考驗。也因此需要更加周全嚴謹的做好質量策劃工作，更加細致嚴格的做好焊接過程控制工作，以避免因質量問題造成的工期風險。

4 轉輪焊接質量控制

4.1 焊接質檢策劃

為全面、準確的實施轉輪焊接質量的控制與檢驗工作，在質檢策劃階段，編制了白鶴灘轉輪制造質量檢驗控制方案、轉輪焊接加工ITP、轉輪焊接檢驗規范及轉輪驗收大綱。明確了項目團隊的組織機構與管理職責，制定了詳細的質量控制方案以及檢查試驗計劃，規范了轉輪在焊接制造過程中各工序的檢驗項目、檢驗依據、記錄形式、測量工具、檢測要點以及判定標準，策劃了轉輪預驗收及驗收的檢驗項目及檢驗方法，規定了質檢策劃的具體實施要求。

4.2 焊接條件控制

由于焊接是特殊作業過程，所以在轉輪開始投焊前，應對原材料及焊接條件進行必要的審查，以確保轉輪焊接工作的順利進行及焊接質量受控。

原材料的控制：確保原材料質量符合設計及工藝要求，是避免因材料問題引起的焊接質量問題的風險防控有效措施。在轉輪開焊前，應審核上冠、下環、葉片的相關質量信息，須符合設計要求，且與其標識信息一致。并審核焊接材料的質量信息，應符合工藝規范要求并在有效期內。

焊接條件的控制：應對焊工資質、焊機儀器儀表的檢定合格憑證等焊接開工的必要條件進行審查，以確保焊接過程受控及防范焊接設備原因造成的焊接質量風險。

4.3 焊接質量控制

轉輪的材料為冷裂傾向較大的馬氏體不銹鋼，焊接易產生脆化組織和氫致裂紋，且轉輪的結構給轉輪的焊接帶來極大難度，為保證轉輪的焊接質量，提高一次探傷合格率，減少返修焊接帶來的質量及進度風險，我們對焊接操作者進行了質量技術交底，并對焊接過程進行嚴格的控制。

溫度的控制：由于材料的特性，轉輪焊接的預熱溫度、層間溫度及保溫溫度的控制在焊接過程中尤其重要。在每班次開焊前，用測溫儀測量坡口及其熱影響區的溫度，達到工藝要求的預熱溫度后才能開始施焊。在焊接過程中，巡查監控層間溫度，以符合工藝要求。并在焊接工作間歇時段巡查監控轉輪保溫溫度，在轉輪未進行整體消氫前，確保保溫溫度不能低于工藝規范要求。

焊接參數的控制：焊接電流、焊接電壓、保護氣體流量、焊接速度及焊道寬度等焊接過程工藝參數的有效執行與焊縫質量息息相關。在轉輪的焊接過程中，應嚴格巡查監控焊接過程工藝參數，防止違反工藝規范的行為，督促操作者認真執行工藝紀律，以保障縫的焊接質量。

焊道清理的控制：焊道清理不干凈徹底，極易在焊后產生夾渣、氣孔等焊接缺陷，增加返修工作量。在轉輪的焊接過程中，由于轉輪的施焊作業空間狹窄，溫度極高，操作者在長期惡劣條件下重復作業，難免會對焊道清理等非主要施焊工作大意忽略。需要在轉輪焊接過程中加強巡檢工作，監督操作者對于焊道清理工作的有效執行，以避免因此產生的焊縫質量問題。

4.4 焊接尺寸控制

白鶴灘轉輪的焊接尺寸控制因其結構尺寸大、設計重量大、焊接量大且精品指標嚴格的特點成為一個艱難的課題。而轉輪葉片型線復雜，焊接完成后極難對尺寸進行調整、返修，所以我們以前期的裝配檢驗及焊接過程監控為主，來保證轉輪尺寸一次裝焊滿足精品指標要求。

上冠拼焊的控制：由于轉輪采用的是倒裝工藝，所以上冠是轉輪裝配的水平基準，上冠拼焊后的水平度對控制轉輪整體焊接尺寸顯得尤為重要。在上冠大瓣與小瓣組圓裝配時應檢查大瓣的平度，控制其平度≤1 mm。小瓣與大瓣之間應留有一定的間隙與反變形抬高量，以確保焊接收縮余量滿足焊后整體尺寸要求。在焊接過程中應定期對平度及小瓣的變形量進行監控檢查，根據收縮變形情況及時調整焊接順序。在拼焊完成后，應對上冠平度、外圓進行檢查，確保其尺寸符合設計要求。

上冠、下環裝配的控制：上冠、下環是轉輪葉片裝配定位的基準，其裝配尺寸對轉輪整體尺寸有著重要影響。應檢查控制上冠、下環的水平度、平行度、同軸度及開檔高度，使上冠、下環的裝配滿足工藝要求。并檢查上冠、下環的葉片定位點劃線，確保劃線基準點位置及空間距離滿足設計要求。

葉片的裝配控制：轉輪葉片的裝配尺寸是轉輪流道水力性能的重要考核指標，且在焊接完成后調整極其困難，所以在葉片裝配時就要保證葉片尺寸符合要求。為控制其裝配尺寸，在裝配過程中須進行三次尺寸檢驗，分別設置在前三片葉片裝配后，所有葉片裝配完成后，以及葉片定位焊后。前三片葉片裝配后進行尺寸檢驗可以對上冠、下環的基準點劃線位置、葉片裝配方法、葉片加工型線尺寸進行復查驗證，以確保其余葉片的順利裝配。所有葉片裝配完成后的尺寸檢驗，可以在葉片定位焊前確保葉片裝配尺寸準確無誤，避免定位焊后進行大量調整工作。葉片定位焊會使轉輪尺寸產生一定的變形量，在定位焊后進行全面的尺寸檢驗以保證轉輪定位焊的變形受控，且在正式焊接前所有尺寸滿足工藝及設計要求。

焊接順序及過程尺寸監控：轉輪葉片為不規則曲面形狀，其焊接過程中受應力復雜，焊接變形趨勢較難預判，所以應在焊接過程中對焊工的施焊順序是否滿足工藝規定的分段、交替、退步焊要求進行巡查監控，以減少焊接變形對轉輪尺寸的影響。并定期對轉輪的開檔高度、同軸度及開口等主要尺寸進行監控，及時反饋焊接變形量，以便及時根據焊接變形量對焊接順序及支撐布置等工藝措施進行適當調整，來保證轉輪最終尺寸。

5 質量控制成果

截止到2020年5月，由東方電機承制的白鶴灘左岸電站的前4臺轉輪已經完成焊接制造，經過嚴格細致的焊接質量控制，4臺轉輪的焊接質量非常出色，焊縫一次探傷合格率均達到內控精品指標，各設計尺寸均達到設計公差指標要求，并滿足三峽集團的精品指標要求，均已順利通過了三峽業主的驗收，達到精品（圖2）。

圖2 2019年1月12日白鶴灘首臺轉輪通過三峽業主精品驗收

6 結論

雖然在白鶴灘轉輪的焊接質量控制上遇到了諸多困難與挑戰，但在質量團隊的攻堅克難中一一化解，最終交付精品，為白鶴灘百萬千瓦水輪機組交付了一顆性能先進、安全穩定的心臟。白鶴灘水電站百萬千瓦巨型水輪機精品轉輪的焊接制造標志著我國發電設備企業率先掌握了百萬千瓦等級巨型水輪機組轉輪的核心制造技術，開創了世界水電百萬千瓦級水輪發電機組的新紀元，其焊接質量控制的成功經驗，對今后的混流式水輪機組轉輪的焊接制造具有一定的借鑒和指導意義。