白鶴灘水電站大型混流式轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量控制

韓天宇，王智民，楊光輝，陰 添

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)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(nèi)，是金沙江下游干流河段梯級(jí)開發(fā)的第二個(gè)梯級(jí)電站，其左右兩岸分別安裝8臺(tái)單機(jī)容量100萬kW水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 600萬kW，是在建裝機(jī)容量世界第二，單機(jī)容量世界第一的水電項(xiàng)目，是世界水電史上首次采用單機(jī)100萬kW機(jī)組的水電項(xiàng)目，是世界水電行業(yè)的“珠穆朗瑪峰”。為了做好白鶴灘水電站這個(gè)世紀(jì)工程，三峽集團(tuán)提出了“三個(gè)一流”“七個(gè)零”目標(biāo)，貫徹精品理念，制定了白鶴灘機(jī)組精品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，將左岸8臺(tái)100萬kW水輪發(fā)電機(jī)組研制任務(wù)托付給東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱：東方機(jī)電）。東方電機(jī)高度重視，精心研發(fā)、精心組織、精益制造，確保全面滿足三峽集團(tuán)提出的精品機(jī)組要求，引領(lǐng)世界水電裝備進(jìn)入“無人區(qū)”，實(shí)現(xiàn)能源裝備制造的中國(guó)夢(mèng)。

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的心臟，其制造質(zhì)量直接影響到整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定與工作效率。東方電機(jī)承制的白鶴灘左岸水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為焊接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)尺寸大，焊接量大，裝焊難度大，對(duì)轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量控制及尺寸變形控制帶來很大風(fēng)險(xiǎn)。本文分析了由東方電機(jī)承制的白鶴灘水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接過程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了如何在焊接生產(chǎn)制造過程中對(duì)白鶴灘水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行有效的質(zhì)量控制與檢驗(yàn)，保證轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量滿足三峽精品標(biāo)準(zhǔn)。

1 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)介紹

白鶴灘轉(zhuǎn)輪為大型全馬氏體不銹鋼鑄焊結(jié)構(gòu)混流式整體轉(zhuǎn)輪（圖1），外形結(jié)構(gòu)尺寸巨大，設(shè)計(jì)總高約3.95 m，最大直徑8.65 m，總重量約360 t。轉(zhuǎn)輪由上冠（大小兩瓣）、下環(huán)（對(duì)稱兩瓣）和15件葉片組焊而成，材質(zhì)均為ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，葉片與上冠、下環(huán)為曲面相貫焊接，主要焊縫有上冠拼焊縫、下環(huán)拼焊縫、葉片與上冠焊縫、葉片與下環(huán)焊縫及其他工藝輔助焊縫（翻身吊攀、拉筋、搭板等），其焊縫設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約146 m，設(shè)計(jì)焊絲用量超12 t。

圖1 轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)示意圖

2 三峽精品指標(biāo)介紹

白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)組是世界上首批百萬千瓦水輪機(jī)組，中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)站在國(guó)家戰(zhàn)略高度，為提高中國(guó)重型裝備制造水平，為加強(qiáng)白鶴灘水電站機(jī)電工程設(shè)備制造質(zhì)量管理，提高白鶴灘水輪發(fā)電機(jī)組制造水平，把白鶴灘水電站機(jī)電工程打造成“精品工程”，對(duì)白鶴灘水電站項(xiàng)目提出了精品機(jī)組要求。三峽集團(tuán)在“七個(gè)零”目標(biāo)中提出了“制造零缺陷”，要求制造過程嚴(yán)格受控，出廠質(zhì)量確保零缺陷，不將缺陷帶到現(xiàn)場(chǎng)。且三峽機(jī)電工程局于2017年10月17日，制定并下發(fā)了《金沙江烏東德、白鶴灘水電站水輪機(jī)制造精品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱：《精品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》）。

3 轉(zhuǎn)輪裝焊質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

3.1 材料風(fēng)險(xiǎn)

白鶴灘轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)及葉片母材材質(zhì)設(shè)計(jì)均采用低碳高強(qiáng)度馬氏體不銹鋼鑄件ZG04Cr13Ni4Mo，參考 Q/CTG 1-2017《大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪馬氏體不銹鋼鑄件技術(shù)條件》，鑄鋼ZG04Cr13Ni4Mo的化學(xué)成分（見表1）與力學(xué)性能（見表2）所示。

鑄鋼ZG04Cr13Ni4Mo具有良好的綜合機(jī)械性能、耐腐蝕性能及疲勞性能，但其含碳量低，碳當(dāng)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(chǎn)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(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 ZG04Cr13Ni4Mo化學(xué)成分（質(zhì)量百分比/%）

表2 ZG04Cr13Ni4Mo力學(xué)性能

3.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)

白鶴灘轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)尺寸大，其最大設(shè)計(jì)直徑達(dá)Φ8 650 mm，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸條件，轉(zhuǎn)輪上冠及下環(huán)均采用分瓣式結(jié)構(gòu)。分瓣式結(jié)構(gòu)相對(duì)于整體式上冠、下環(huán)結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)輪在整體焊接前又增加了上冠、下環(huán)拼裝組焊的工序，且上冠、下環(huán)又是轉(zhuǎn)輪葉片的裝配基準(zhǔn)。所以轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)拼焊的焊接變形控制影響著轉(zhuǎn)輪整體尺寸的質(zhì)量。

白鶴灘轉(zhuǎn)輪葉片設(shè)計(jì)坡口長(zhǎng)度及深度均在巨型混流式轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)中名列前茅，焊接量極大。轉(zhuǎn)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(jìn)水邊至出水邊厚度由寬至窄變化，且葉片為不規(guī)則曲面形狀，與上冠、下環(huán)的焊縫均為曲面相貫結(jié)構(gòu)，同時(shí)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(zhì)量控制及尺寸變形控制帶來了很大風(fēng)險(xiǎn)。

白鶴灘轉(zhuǎn)輪的焊縫設(shè)計(jì)總長(zhǎng)約146 m，設(shè)計(jì)焊絲用量超12 t，大量的焊接熱輸入，使得轉(zhuǎn)輪焊接時(shí)產(chǎn)生大量的焊接應(yīng)力，不僅加大了焊接裂紋出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，也給焊接尺寸的變形控制帶來極大風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)

白鶴灘轉(zhuǎn)輪由于設(shè)計(jì)尺寸大、焊量大，焊接尺寸變形的控制難度極大，而轉(zhuǎn)輪的流道尺寸直接影響機(jī)組的水力性能及運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性，轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)尺寸公差指標(biāo)十分嚴(yán)格，如何控制焊接尺寸以滿足設(shè)計(jì)尺寸公差指標(biāo)要求本就是一個(gè)難度極大的問題。而三峽集團(tuán)制定的《精品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》又給轉(zhuǎn)輪的制造尺寸公差提出了更高的精品要求。

表3 轉(zhuǎn)輪焊接尺寸精品標(biāo)準(zhǔn)公差表

在《精品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》“（五）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造質(zhì)量尺寸檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)表”中，三峽集團(tuán)對(duì)轉(zhuǎn)輪焊接尺寸相關(guān)檢測(cè)項(xiàng)目的優(yōu)良值做出了明確的公差指標(biāo)要求，優(yōu)良值的允差要求相比GB/T 10969-2008《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》的允差值要更加嚴(yán)格（表3），在葉片進(jìn)口節(jié)距、出水邊開口單個(gè)值及平均值、進(jìn)口角單個(gè)值等轉(zhuǎn)輪主要流道尺寸項(xiàng)目的允差上均比國(guó)標(biāo)要求提高了25%，加大了轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量控制難度。為了滿足用戶所需，需要對(duì)轉(zhuǎn)輪焊接制造進(jìn)行更加細(xì)致完善的質(zhì)量策劃及更加嚴(yán)格精準(zhǔn)的質(zhì)量控制，以確保轉(zhuǎn)輪最終焊接尺寸滿足精品指標(biāo)要求，避免尺寸超出精品指標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 工期風(fēng)險(xiǎn)

作為以百萬精品機(jī)組向建黨100周年獻(xiàn)禮的大國(guó)重器工程，三峽集團(tuán)對(duì)于白鶴灘項(xiàng)目的工期要求十分嚴(yán)格。為確保轉(zhuǎn)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(jī)下達(dá)了嚴(yán)格的轉(zhuǎn)輪焊縫一次探傷合格率內(nèi)控精品指標(biāo)，這給焊接難度極大的白鶴灘轉(zhuǎn)輪帶來了更加嚴(yán)峻的質(zhì)量控制考驗(yàn)。也因此需要更加周全嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖龊觅|(zhì)量策劃工作，更加細(xì)致嚴(yán)格的做好焊接過程控制工作，以避免因質(zhì)量問題造成的工期風(fēng)險(xiǎn)。

4 轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量控制

4.1 焊接質(zhì)檢策劃

為全面、準(zhǔn)確的實(shí)施轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量的控制與檢驗(yàn)工作，在質(zhì)檢策劃階段，編制了白鶴灘轉(zhuǎn)輪制造質(zhì)量檢驗(yàn)控制方案、轉(zhuǎn)輪焊接加工ITP、轉(zhuǎn)輪焊接檢驗(yàn)規(guī)范及轉(zhuǎn)輪驗(yàn)收大綱。明確了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的組織機(jī)構(gòu)與管理職責(zé)，制定了詳細(xì)的質(zhì)量控制方案以及檢查試驗(yàn)計(jì)劃，規(guī)范了轉(zhuǎn)輪在焊接制造過程中各工序的檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢驗(yàn)依據(jù)、記錄形式、測(cè)量工具、檢測(cè)要點(diǎn)以及判定標(biāo)準(zhǔn)，策劃了轉(zhuǎn)輪預(yù)驗(yàn)收及驗(yàn)收的檢驗(yàn)項(xiàng)目及檢驗(yàn)方法，規(guī)定了質(zhì)檢策劃的具體實(shí)施要求。

4.2 焊接條件控制

由于焊接是特殊作業(yè)過程，所以在轉(zhuǎn)輪開始投焊前，應(yīng)對(duì)原材料及焊接條件進(jìn)行必要的審查，以確保轉(zhuǎn)輪焊接工作的順利進(jìn)行及焊接質(zhì)量受控。

原材料的控制：確保原材料質(zhì)量符合設(shè)計(jì)及工藝要求，是避免因材料問題引起的焊接質(zhì)量問題的風(fēng)險(xiǎn)防控有效措施。在轉(zhuǎn)輪開焊前，應(yīng)審核上冠、下環(huán)、葉片的相關(guān)質(zhì)量信息，須符合設(shè)計(jì)要求，且與其標(biāo)識(shí)信息一致。并審核焊接材料的質(zhì)量信息，應(yīng)符合工藝規(guī)范要求并在有效期內(nèi)。

焊接條件的控制：應(yīng)對(duì)焊工資質(zhì)、焊機(jī)儀器儀表的檢定合格憑證等焊接開工的必要條件進(jìn)行審查，以確保焊接過程受控及防范焊接設(shè)備原因造成的焊接質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 焊接質(zhì)量控制

轉(zhuǎn)輪的材料為冷裂傾向較大的馬氏體不銹鋼，焊接易產(chǎn)生脆化組織和氫致裂紋，且轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)給轉(zhuǎn)輪的焊接帶來極大難度，為保證轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量，提高一次探傷合格率，減少返修焊接帶來的質(zhì)量及進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)，我們對(duì)焊接操作者進(jìn)行了質(zhì)量技術(shù)交底，并對(duì)焊接過程進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

溫度的控制：由于材料的特性，轉(zhuǎn)輪焊接的預(yù)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(cè)溫儀測(cè)量坡口及其熱影響區(qū)的溫度，達(dá)到工藝要求的預(yù)熱溫度后才能開始施焊。在焊接過程中，巡查監(jiān)控層間溫度，以符合工藝要求。并在焊接工作間歇時(shí)段巡查監(jiān)控轉(zhuǎn)輪保溫溫度，在轉(zhuǎn)輪未進(jìn)行整體消氫前，確保保溫溫度不能低于工藝規(guī)范要求。

焊接參數(shù)的控制：焊接電流、焊接電壓、保護(hù)氣體流量、焊接速度及焊道寬度等焊接過程工藝參數(shù)的有效執(zhí)行與焊縫質(zhì)量息息相關(guān)。在轉(zhuǎn)輪的焊接過程中，應(yīng)嚴(yán)格巡查監(jiān)控焊接過程工藝參數(shù)，防止違反工藝規(guī)范的行為，督促操作者認(rèn)真執(zhí)行工藝紀(jì)律，以保障縫的焊接質(zhì)量。

焊道清理的控制：焊道清理不干凈徹底，極易在焊后產(chǎn)生夾渣、氣孔等焊接缺陷，增加返修工作量。在轉(zhuǎn)輪的焊接過程中，由于轉(zhuǎn)輪的施焊作業(yè)空間狹窄，溫度極高，操作者在長(zhǎng)期惡劣條件下重復(fù)作業(yè)，難免會(huì)對(duì)焊道清理等非主要施焊工作大意忽略。需要在轉(zhuǎn)輪焊接過程中加強(qiáng)巡檢工作，監(jiān)督操作者對(duì)于焊道清理工作的有效執(zhí)行，以避免因此產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量問題。

4.4 焊接尺寸控制

白鶴灘轉(zhuǎn)輪的焊接尺寸控制因其結(jié)構(gòu)尺寸大、設(shè)計(jì)重量大、焊接量大且精品指標(biāo)嚴(yán)格的特點(diǎn)成為一個(gè)艱難的課題。而轉(zhuǎn)輪葉片型線復(fù)雜，焊接完成后極難對(duì)尺寸進(jìn)行調(diào)整、返修，所以我們以前期的裝配檢驗(yàn)及焊接過程監(jiān)控為主，來保證轉(zhuǎn)輪尺寸一次裝焊滿足精品指標(biāo)要求。

上冠拼焊的控制：由于轉(zhuǎn)輪采用的是倒裝工藝，所以上冠是轉(zhuǎn)輪裝配的水平基準(zhǔn)，上冠拼焊后的水平度對(duì)控制轉(zhuǎn)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(shí)應(yīng)檢查大瓣的平度，控制其平度≤1 mm。小瓣與大瓣之間應(yīng)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(yīng)定期對(duì)平度及小瓣的變形量進(jìn)行監(jiān)控檢查，根據(jù)收縮變形情況及時(shí)調(diào)整焊接順序。在拼焊完成后，應(yīng)對(duì)上冠平度、外圓進(jìn)行檢查，確保其尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

上冠、下環(huán)裝配的控制：上冠、下環(huán)是轉(zhuǎn)輪葉片裝配定位的基準(zhǔn)，其裝配尺寸對(duì)轉(zhuǎn)輪整體尺寸有著重要影響。應(yīng)檢查控制上冠、下環(huán)的水平度、平行度、同軸度及開檔高度，使上冠、下環(huán)的裝配滿足工藝要求。并檢查上冠、下環(huán)的葉片定位點(diǎn)劃線，確保劃線基準(zhǔn)點(diǎn)位置及空間距離滿足設(shè)計(jì)要求。

葉片的裝配控制：轉(zhuǎn)輪葉片的裝配尺寸是轉(zhuǎn)輪流道水力性能的重要考核指標(biāo)，且在焊接完成后調(diào)整極其困難，所以在葉片裝配時(shí)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(jìn)行三次尺寸檢驗(yàn)，分別設(shè)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(jìn)行尺寸檢驗(yàn)可以對(duì)上冠、下環(huán)的基準(zhǔn)點(diǎn)劃線位置、葉片裝配方法、葉片加工型線尺寸進(jìn)行復(fù)查驗(yàn)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(yàn)，可以在葉片定位焊前確保葉片裝配尺寸準(zhǔn)確無誤，避免定位焊后進(jìn)行大量調(diào)整工作。葉片定位焊會(huì)使轉(zhuǎn)輪尺寸產(chǎn)生一定的變形量，在定位焊后進(jìn)行全面的尺寸檢驗(yàn)以保證轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)要求。

焊接順序及過程尺寸監(jiān)控：轉(zhuǎn)輪葉片為不規(guī)則曲面形狀，其焊接過程中受應(yīng)力復(fù)雜，焊接變形趨勢(shì)較難預(yù)判，所以應(yīng)在焊接過程中對(duì)焊工的施焊順序是否滿足工藝規(guī)定的分段、交替、退步焊要求進(jìn)行巡查監(jiān)控，以減少焊接變形對(duì)轉(zhuǎn)輪尺寸的影響。并定期對(duì)轉(zhuǎn)輪的開檔高度、同軸度及開口等主要尺寸進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)反饋焊接變形量，以便及時(shí)根據(jù)焊接變形量對(duì)焊接順序及支撐布置等工藝措施進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，來保證轉(zhuǎn)輪最終尺寸。

5 質(zhì)量控制成果

截止到2020年5月，由東方電機(jī)承制的白鶴灘左岸電站的前4臺(tái)轉(zhuǎn)輪已經(jīng)完成焊接制造，經(jīng)過嚴(yán)格細(xì)致的焊接質(zhì)量控制，4臺(tái)轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量非常出色，焊縫一次探傷合格率均達(dá)到內(nèi)控精品指標(biāo)，各設(shè)計(jì)尺寸均達(dá)到設(shè)計(jì)公差指標(biāo)要求，并滿足三峽集團(tuán)的精品指標(biāo)要求，均已順利通過了三峽業(yè)主的驗(yàn)收，達(dá)到精品（圖2）。

圖2 2019年1月12日白鶴灘首臺(tái)轉(zhuǎn)輪通過三峽業(yè)主精品驗(yàn)收

6 結(jié)論

雖然在白鶴灘轉(zhuǎn)輪的焊接質(zhì)量控制上遇到了諸多困難與挑戰(zhàn)，但在質(zhì)量團(tuán)隊(duì)的攻堅(jiān)克難中一一化解，最終交付精品，為白鶴灘百萬千瓦水輪機(jī)組交付了一顆性能先進(jìn)、安全穩(wěn)定的心臟。白鶴灘水電站百萬千瓦巨型水輪機(jī)精品轉(zhuǎn)輪的焊接制造標(biāo)志著我國(guó)發(fā)電設(shè)備企業(yè)率先掌握了百萬千瓦等級(jí)巨型水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪的核心制造技術(shù)，開創(chuàng)了世界水電百萬千瓦級(jí)水輪發(fā)電機(jī)組的新紀(jì)元，其焊接質(zhì)量控制的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)今后的混流式水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪的焊接制造具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。