枕頭壩水輪機尾水錐管焊縫開裂分析及處理

楊 俊

（國能大渡河枕頭壩發電有限公司，四川 樂山 614000）

1 枕頭壩水輪發電機組概述

枕頭壩電站裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量為180 MW，型號ZZ-LH-875，額定水頭29.5 m，最大水頭36.49 m，最小水頭17.98 m。電站以500 kV電壓等級接入電力系統。發電機電壓側采用聯合單元接線，500 kV側采用四角形接線，出線兩回，一回線路輸送至深溪溝電站，另一回為備用線路。電站按“遠方集控，無人值班（少人值守）”設計。

2 問題描述

2020 年03月10日4號機組B修過程中發現，尾水錐管（Q235B）與湊合S（04Cr13Ni5Mo）的焊接焊縫存在較多的開裂（開裂部位見圖1所示），計 6 處，其中最長2 m，最短0.8 m，開裂口最大10 mm，總計8.1 m。

對本條焊縫進行了整體的超聲波 UT 探傷（見圖2所示），發現整條焊縫存在大量的缺陷，決定整條焊縫進行處理。利用碳弧氣刨對焊縫進行清理、解剖，發現母材與焊縫金屬邊界有大量的未熔合區且有混凝土滲入，焊縫流道表面熔敷金屬厚度最小處僅3 mm。

圖1 開裂部位

圖2 探傷圖

3 開裂缺陷原因分析

安裝現場焊接管理分析：產品焊接的質量保證貫穿于設計、制造的全過程，按照本單位的質量保證體系對產品進行全面質量控制。

3.1 焊接產品保證的一般原則

焊接產品保證的一般原則見表1所示。

3.2 對于產品缺陷6S（人、機、料、法、環、測）分析

利用骨刺圖進行分析見圖3所示。

圖3 骨刺圖

表1 產品保證的原則

3.3 焊接接頭分析

（1）上述接頭形式是按照設計要求設置湊合段設計的，見圖4所示。

圖4 現場焊接接頭結構圖

（2）現場焊縫有3條（即①②③），②或③焊縫強度計算焊喉有效厚度為7 mm（焊腳高10 mm），與坡口深度14 mm相加，強度計算厚度為21 mm，大于t=16 mm 母材厚度。

（3）通過對母體的材料分析后（見表2），選擇焊接材料為奧氏體不銹鋼 。

表2 材料分析

奧氏體不銹鋼焊接材料的抗拉強度也大于母材Q235B，通過上述的分析：焊接接頭設計強度可以滿足使用要求。

（4）可能產生缺欠的原因分析：

1）根據碳弧氣刨過程中有混凝土滲入現象可以認為襯墊板（件33）未參與安裝，或②③焊縫有漏焊。

2）未熔合產生的原因主要是操作不當造成的，例如：焊接電流與焊接速度不匹配、焊條與坡口角度不合適、焊條型號與工藝不符、工藝錯誤等。

3）現場在此條焊縫安裝焊接時，質量控制失控，出現大量的未熔合和漏焊進而導致強度嚴重不足，在機組運行產生微弱的應力及殘余應力相互作用下開裂。該焊縫在安裝焊接后進行過探傷和煤油滲漏檢查查證。

4 處理方案

焊接環境的要求：焊接環境出現下列情況時，應采取有效的防護措施，如無防護措施應立即停止焊接工作。風速：SMAW>2 m/s，GMAW>8 m/s；相對濕度>90%；環境溫度低于 5℃。

4.1 處理工藝

焊接方法：采用熔化極CO2氣體保護焊 GMAW或手工焊條電弧焊 SMAW。

缺陷去除：

首先進行 UT 檢查，確定并標識缺陷位置、長度、深度。根據 UT 探傷標識采用碳弧氣刨去除，深度超過缺陷深度3 mm。 碳弧氣刨參數：碳棒直徑Φ10 mm，壓縮空氣壓力0.4~0.8 MPa，氣體流量0.8~1.7 m3/min，刨 削 速 度0.5~1.2 m/min，電 弧長度1~2 mm，電流350~500 A，碳棒與工件 傾角20°~45°。氣刨槽口要求從距離開裂終點30~50 mm向開裂方向刨，形狀適于2G焊接（上角約 35°，下角10°，兩端 20°，根部有R≥10 mm）。

要求分段刨削處理，每段長度≤1 000 mm，一段焊接完后再刨另外位置。 操作時應先通風后引弧，以防止在引弧時產生夾碳現象。引弧后，氣刨速度應緩慢待金屬充分加熱熔化后，再以正常速度進行氣刨。氣刨結束后應先熄弧后關氣。 碳棒伸出長度80~100 mm，燒損30~40 mm 時，應調整長度。工作量計算，碳弧氣刨：速度500~1 200 mm/min，每層刨削深度4~5 mm，寬度=碳棒直徑+2~4 mm； 焊接：SMAW-0.8 kg/h，GMAW-1.5 kg/h。焊條在烘箱中按300~350℃的烘干溫度 經1~2 h烘干后放入焊條保溫筒（控溫100~150℃）內保溫，隨用隨?。ㄈ绻嫦錀l件不具備，允許采用其他方法進行烘烤以去除藥皮水分），焊條在保溫桶內，在焊接現場要求通電保溫。其中注意事項如焊條受潮嚴重，可加長烘干時間或提高溫度至 350℃；保溫桶內焊條量不超過一天的使用量，不得使用隔天的焊條;焊條烘干次數不得超過2次，藥皮無脫落或明顯的裂紋；其他的推薦方式可有木炭、微波爐、烤槍等對焊條烘干。

焊接：焊接極性采用直流反接DCEP（工件接負極，電極接正極），焊接的參數（見表3）；焊道寬度SMAW≤10 mm、GMAW≤15 mm，連續焊接焊道長度≤300 mm，必須采用薄焊道進行焊接（≤6 mm），焊接時要根據要求的焊接厚度量適時調整焊接。

表3 焊接參數

GMAW：保護氣體 CO2，干長15~20 mm，氣體流量18~20 L/min。

SMAW：采用短弧焊接，電弧長度2~4 mm。

層/道間溫度≤150 ℃；每連續焊接不超過 3 道時，必須采用風鏟錘擊消應，但要求每層必須錘擊；錘擊部位，焊縫金屬和周邊（周邊為熔合區+粗晶區），重點錘擊壓道、起始焊道的搭接部位。第1層不錘擊，主要是冷作會損壞焊縫金屬，產生根部裂紋；最后 1 層也不錘擊，以免影響焊縫的表面質量；錘擊應保持均勻、適度，扁錘頭圓角1.0~1.5 mm，錘擊深度0.5~1.0 mm，風壓0.4~0.8 MPa；圓錘頭最佳尺寸S=Φ 8 mm；錘擊時機為焊道在 100~150 ℃時。

控制焊道成形系數=寬度/厚度=1.3~2.0，以防止熱裂紋； 焊補前，烤槍去除水分后馬上補焊，充分利用其烘干溫度，尤其在S135側；嚴禁在補焊區域外的區域引弧和息弧，起弧要回弧填滿弧坑，收弧時要求采用緩慢停頓收弧或回弧以填滿弧坑防止產生弧坑裂紋；對于面域狀缺欠采用跳/段焊接方式處理，連續焊接焊道長度不得超過300 mm，超過時采用分段退焊法焊接；焊接后隨型打磨和拋光，焊縫余高0~1.5 mm；焊道間嚴格清理，尤其是焊道側面的形狀不良可能會道間缺陷，必須修磨處理；焊前將坡口內打磨漏出金屬光澤。打磨后 PT 檢查無裂紋。

4.2 檢查

點狀缺欠隨型修磨；焊完后24 h，PT 檢查焊縫表面，焊縫和HAZ表面不得有裂紋、氣孔等缺陷；如有條件可進行UT檢查，檢查有效深度13 mm。

過程質量控制要點 ：

（1）嚴格按照作業指導書的各項要求執行；

（2）缺欠打磨去除后PT檢查，確認無裂紋；

（3）嚴格進行道間清理防止壓道缺陷；

（4）道間風鏟振動消應力必須徹底和及時；

（5）認真對待弧坑裂紋的嚴重性和預防措施；

（6）烤槍進行水分的去除；

（7）嚴格進行焊條水分的去除工作；

（8）缺欠修復的斷、跳方式嚴格執行，以防止應力過大；

（9）短焊道焊接以減小焊接應力；

（10）嚴格隨型修磨和測量，型線和波浪度按較小值；

（11）合理的PT探傷時機，以便有效地發現延遲裂紋。

5 結語

結合多方面的原因分析尾水錐管與湊合S段的焊接焊縫存在焊縫開裂現象，存在較復雜的原因，在后續檢修期重點關注。2021年4號機組檢修全面進行UT（采用橫波和縱波聯合）檢查，機組有效熔覆金屬深度達到13 mm。