鍋浪蹺水電站水輪機蝸殼的安裝與焊接技術(shù)

李 萬 有, 楊 小 軍, 楊 宏

(1.大唐雅安電力開發(fā)有限公司,四川 雅安 625500;2.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 611132)

1 工程概況

鍋浪蹺水電站系青衣江一級支流天全河梯級開發(fā)中的龍頭電站,位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內(nèi),電站主廠房機組設(shè)計為3×70 MW混流式機組。水輪機型號為HLA920-LJ-245,額定水頭250 m,在任何工況下甩負(fù)荷時,蝸殼進口處最大壓力不超過3.8 MPa。

大機組共3臺,由昆明電機廠有限公司制造,每臺機組蝸殼共分為24節(jié),一塊舌板。其中小頭(第18～24節(jié))瓦塊與座環(huán)焊接在一起,整體到貨;其余蝸殼各節(jié)在昆明電機廠內(nèi)預(yù)裝,將第2～5節(jié)、第6～9節(jié)、第10～13節(jié)、第14～17節(jié)在廠內(nèi)分別組裝成大節(jié)(共4大節(jié))加固后分節(jié)運至施工現(xiàn)場進行掛裝,現(xiàn)場廠家未設(shè)置湊合節(jié)和蝶形邊。

蝸殼鋼板材質(zhì)均為Q345R,鋼板厚度δ=28～36 mm,其中第1～6節(jié)厚度為36 mm,第7～14節(jié)厚度為32 mm,第15～21節(jié)厚度為28 mm;座環(huán)直徑3 298 mm,鋼板厚度δ=90 mm,廠家到貨座環(huán)材質(zhì)為Q345B;蝶形邊焊縫直徑4 047 mm,焊縫長度為9 536 mm,蝶形邊為v型單面坡口,坡口在流道內(nèi)側(cè)。蝸殼瓦塊與座環(huán)焊接采用廠家提供焊條(型號:CHE507,Φ5.0 mm、4.0 mm、3.2 mm)。

2 3號機蝸殼安裝焊接異常情況

3號機蝸殼安裝焊接完成后,在探傷時多次發(fā)現(xiàn)焊縫冷裂紋,監(jiān)理工程師采取了焊材質(zhì)量核查、更嚴(yán)格控制焊接工藝及焊接過程、旁站監(jiān)督、組織召開專題會、征詢廠家意見、暫停焊接等多種措施,也督促承包人對3號機蝸殼重新進行了焊接,但結(jié)果仍不理想。

2.1 第一次焊接及結(jié)果

3號機座環(huán)安裝和蝸殼掛裝完成并經(jīng)監(jiān)理驗收后開始焊接,焊接方式嚴(yán)格按照廠家提供的焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書的要求進行,采用多段、多層、多道、退步焊接,焊條為主機廠家提供,焊條現(xiàn)場烘烤保溫。

焊接完成24 h后對上、下蝶形邊焊縫探傷檢查,未發(fā)現(xiàn)裂紋,但在后續(xù)探傷復(fù)查時,發(fā)現(xiàn)下蝶形邊出現(xiàn)開口性裂紋,其位置在蝶邊與蝸殼母材融合線上,為連續(xù)性裂紋;上蝶形邊裂紋出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部,其位置靠近蝸殼板材側(cè),也為連續(xù)性裂紋。

因裂紋在焊接過后未立即出現(xiàn),而是相隔一段時間才出現(xiàn),因而判斷為焊接冷裂紋,也稱之為“延遲裂紋”。經(jīng)過承包人和監(jiān)理單位多方咨詢,并與廠家溝通后進一步完善其焊接工藝流程,增加了焊前預(yù)熱(溫度為120 ℃)、焊后后熱(溫度為250 ℃,4 h)工序,其余焊接方式和焊條均未調(diào)整,同時,要求承包人嚴(yán)格控制焊接電流、焊接速度、控制焊接層間溫度、加強層間焊縫清理等精細(xì)化管理。

2.2 下蝶形邊焊縫處理及結(jié)果

承包人按照廠家要求對3號蝸殼下蝶形邊焊縫進行處理,處理完成后對焊縫進行超聲波無損檢測,發(fā)現(xiàn)裂紋仍然存在。監(jiān)理工程師隨即要求承包人暫停蝸殼焊接工作,并及時上報3號蝸殼焊接詳細(xì)過程、缺陷出現(xiàn)的部位和形式。

鑒于3號蝸殼下蝶形邊焊縫處理完成后仍然存在裂紋的情況,監(jiān)理工程師要求承包人上報“3號機組蝸殼焊縫問題及其焊接方式的函”,經(jīng)監(jiān)理工程師審核后,立即轉(zhuǎn)呈了業(yè)主并建議業(yè)主協(xié)調(diào)昆明電機廠對該問題出具書面處理意見。業(yè)主協(xié)調(diào)廠家提供了書面回復(fù)意見。監(jiān)理工程師隨即轉(zhuǎn)發(fā)給承包人,并要求承包人嚴(yán)格按照廠家意見組織現(xiàn)場施工。

2.3 上蝶形邊焊縫處理及結(jié)果

處理上蝶形邊時,先將缺陷刨開后進行著色探傷檢查和滲碳層打磨,確定是否將缺陷部位清理干凈,著色探傷合格后,再進行焊接,同時嚴(yán)格控制預(yù)熱和后熱溫度。焊前預(yù)熱(溫度為120 ℃)、焊后后熱(溫度為250 ℃,4 h),采用多段、多層、多道和退步焊接方式,焊條為主機廠家提供。焊接完成48 h后,對焊縫進行了超聲波無損檢測,發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部仍有線狀缺陷。

監(jiān)理工程師加大了現(xiàn)場檢查旁站力度,在例行檢查時發(fā)現(xiàn)設(shè)備制造廠家提供的焊接材料的出產(chǎn)日期和出產(chǎn)檢驗批次號與現(xiàn)場實物不符。依據(jù)前期焊接情況,雖然設(shè)備廠家提供的焊接材料是大西洋牌的CHE507焊條,仍無法確定焊條的質(zhì)量是否滿足要求。為保證后續(xù)的焊接質(zhì)量控制,要求承包人自行采購一批由大西洋自貢總廠生產(chǎn)的CHE507焊條用于后續(xù)的焊接施工。

3號機上蝶形邊處理完成后,經(jīng)承包人進行了超聲波無損檢測,原廠家提供焊條所焊接的焊縫有4處存在裂紋和線狀缺陷等質(zhì)量問題。承包人再次對上蝶形邊存在質(zhì)量缺陷的焊縫,用自購焊條進行了處理,處理完成后進行了超聲波無損檢測,未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷,整體質(zhì)量受控。

2.4 下蝶形邊焊縫第二次處理及結(jié)果

承包人繼續(xù)對下蝶形邊原焊接焊縫有缺陷的部位進行處理,進行刨除、打磨、探傷、重新焊接,焊接完成后進行超聲波無損檢測,發(fā)現(xiàn)上蝶形邊第14、15節(jié)暫未處理的焊縫缺陷進一步擴大,下蝶形邊第4、5、6節(jié)又存在不同程度的裂紋、線狀缺陷等質(zhì)量問題。故蝸殼焊接工作再次暫停。

3 3號機蝸殼缺陷的原因

3號機蝸殼裂縫問題出現(xiàn)后,參建各方組織多次進行了技術(shù)討論分析,業(yè)主也組織參建各方前往昆明電機廠,召開了鍋浪蹺水電站3號機組座環(huán)蝸殼現(xiàn)場焊接裂紋專題會,初步判定3號機組蝸殼裂紋可能由焊接工藝、結(jié)構(gòu)工藝和環(huán)境等造成的應(yīng)力集中無法釋放而產(chǎn)生的。

根據(jù)《水輪機金屬蝸殼安裝焊接工工藝導(dǎo)則》(DL/T 5070-2012)及《能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》(NB/T-35045-2014)等相關(guān)規(guī)范對現(xiàn)場施工焊縫返修和處理的相關(guān)規(guī)定:“…同一部位焊縫缺陷返修次數(shù)一般不應(yīng)超過兩次…”。由于3號機蝸殼上下蝶形邊焊縫已返修兩次(共焊接了三次),如果再一次進行返修,極可能導(dǎo)致熱影響區(qū)冷裂紋和延遲裂紋的隱患,且多次受熱會造成母材晶相組織不均勻和力學(xué)性能下降,有可能對機組運行安全及使用壽命造成嚴(yán)重影響。故會議決定后續(xù)3號機蝸殼及座環(huán)返廠進行檢測和處理,并重新研究機組蝸殼的焊接工藝、方式和順序。

4 3號機蝸殼后續(xù)處理措施及結(jié)果

針對蝸殼現(xiàn)狀,監(jiān)理工程師進一步加強了蝸殼組裝和焊接的質(zhì)量管理措施,從人員資質(zhì)審核和安裝及焊接過程等方面加強現(xiàn)場質(zhì)量管理,確保過程全面受控。同時,監(jiān)理工程師就3號機蝸殼裂縫問題,與參建各方多次進行原因分析、技術(shù)探討和開會研究,也結(jié)合現(xiàn)場條件提出了很多改善措施,最后決定將減少焊接殘余應(yīng)力作為突破口,遂提出了技術(shù)調(diào)整措施。

4.1 蝸殼缺陷處理質(zhì)量的管控措施

4.1.1 處理措施審批

督促承包人按照廠家提供的座環(huán)、蝸殼相關(guān)圖紙及安裝說明書、焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書和規(guī)范等相關(guān)要求,編制并上報了“座環(huán)及蝸殼質(zhì)量處理專項施工措施”,監(jiān)理工程師及時對該措施組織專題研究并進行了批復(fù),對蝸殼的焊接前準(zhǔn)備工作、焊接過程的安全措施、蝸殼水壓試驗、保壓澆筑防變形措施,以及特殊作業(yè)人員相關(guān)資質(zhì)申報等方面提出了要求。

督促承包人進行了蝸殼焊接工藝評定,并上報了“關(guān)于蝸殼焊接工藝評定的函”,監(jiān)理工程師根據(jù)合同文件、規(guī)程規(guī)范和現(xiàn)場具體情況進行了審查,并正式批復(fù),同時要求承包人根據(jù)該報告書及廠家提供的焊接工藝指導(dǎo)書編制焊接作業(yè)指導(dǎo)書。

督促承包人上報了“蝸殼焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書的函”,監(jiān)理工程師根據(jù)合同文件、規(guī)程規(guī)范和現(xiàn)場具體情況進行了審核,并正式批復(fù),同時對開焊檢查、無損檢測、焊條保管、蝸殼焊接的焊工、應(yīng)力消除、安全技術(shù)交底等方面進行了強調(diào)要求。

4.1.2 人員資質(zhì)審核

督促承包人上報了“上報特種作業(yè)人員的函”,經(jīng)監(jiān)理工程師核查,承包人提交的特種作業(yè)人員資質(zhì)真實并且在有效期內(nèi),遂分別進行了批復(fù),并組織焊工進行考試,合格人員方可上崗作業(yè)。同時在焊接過程中,多次抽查作業(yè)人員的持證情況,確保焊工資格及水平滿足規(guī)范要求。

4.1.3 蝸殼安裝質(zhì)量控制

蝸殼因其形狀而得名,是水流均勻分配流入轉(zhuǎn)輪,減小因水力不平衡而引起水力振動,是形成水輪機環(huán)量的關(guān)鍵部件。為了確保蝸殼安裝質(zhì)量,監(jiān)理工程師督促承包人嚴(yán)格按照工藝要求進行現(xiàn)場施工,同時對每道工序質(zhì)量進行檢驗。

(1)檢查蝸殼拼裝場地應(yīng)符合設(shè)計、制造廠、規(guī)范和合同規(guī)定的要求。

(2)檢查安裝單位資源投入,特別是特種作業(yè)人員的檢查,例如,焊接技術(shù)工人和探傷人員,所投入資源能否滿足施工要求。

(3)蝸殼拼裝的允許偏差應(yīng)符合設(shè)計和制造廠的要求。

(4)進行蝸殼進口直管段的調(diào)整及環(huán)縫焊接,完成蝸殼層的所有埋管及其它附件安裝。

(5)按照設(shè)計和制造廠要求安裝和焊接蝸殼內(nèi)部的加固支撐,防止蝸殼變形和位移。

(6)蝸殼安裝的允許偏差應(yīng)符合設(shè)計和制造廠的要求。

4.1.4 蝸殼焊接質(zhì)量控制

(1)所投入的焊工資質(zhì)滿足要求,且應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場考試合格。

(2)點焊焊條應(yīng)與焊接焊條相同,焊前應(yīng)檢查點焊質(zhì)量,如有開裂、未焊透及氣孔等缺陷,應(yīng)徹底清除。

(3)各節(jié)間和蝶形邊對接焊縫間隙一般為2～4 mm,過流面錯牙不應(yīng)超過板厚的10%,但縱縫最大錯牙不應(yīng)大于2 mm。

(4)坡口局部間隙超過5 mm,其長度不應(yīng)超過焊縫長度的10%,且一般應(yīng)在坡口處作堆焊處理。

(5)湊合節(jié)的環(huán)縫焊接,應(yīng)有減少焊接應(yīng)力和防止座環(huán)變形的措施。

(6)蝸殼焊縫應(yīng)進行無損探傷檢測或按設(shè)計要求進行檢測。

所有的蝸殼縱向焊縫及蝸殼與座環(huán)的連接焊縫要進行100%射線探傷檢測,并達到《鋼焊縫射線照相及底片等級分類法》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。個別不能用射線檢測的部位,要進行100%超聲波探傷檢測,達到《鋼制壓力容器對接焊縫超聲波探傷》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。所有環(huán)縫均應(yīng)進行100%超聲波探傷檢查,對有懷疑的地方,用射線探傷進行復(fù)查。對所有焊縫應(yīng)打磨平整并進行染色滲透或磁粉探傷檢測。

(7)埋設(shè)件過流表面焊接應(yīng)平滑過渡,吸出管里襯上部的焊縫應(yīng)磨平,混凝土與埋設(shè)件過流表面應(yīng)平滑過渡。

4.1.5 蝸殼水壓試驗

蝸殼水壓試驗?zāi)康脑谟跈z查蝸殼在設(shè)計、制造、安裝、焊接等全過程的質(zhì)量,同時消除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

電站蝸殼試驗壓力為5.6 MPa,保壓30 min。蝸殼水壓試驗分為升壓、保壓和降壓過程,試驗中嚴(yán)格按照廠家技術(shù)要求執(zhí)行,升壓、降壓速度≤0.10 MPa/min。蝸殼加固、監(jiān)測儀器安裝、試驗設(shè)備及管路安裝等試驗準(zhǔn)備工作完成后,逐級加壓至0.5 MPa、1.45 MPa、2.7 MPa、3.8 MPa,并在每級壓力保壓20 min,再升壓至5.6 MPa保壓30 min。升壓試驗無異常且保壓時間達到后,開始進行降壓,逐級降壓至3.8 MPa、2.7 MPa、1.45 MPa、0.5 MPa,并在每級壓力保持20 min,無異常后降到常壓。

蝸殼水壓試驗時,督促承包人精心組織,重點注意試壓悶頭焊接質(zhì)量及探傷結(jié)果、蝸殼加固質(zhì)量,同時試驗過程中做好座環(huán)位移、蝸殼變形、滲漏情況等檢查,并記錄各監(jiān)測百分表讀數(shù)。

4.1.6 蝸殼混凝土澆筑

(1)蝸殼打壓完畢后應(yīng)檢查所有的緊固件是否牢固,復(fù)測座環(huán)的水平及圓度,合格后充水至保壓澆筑壓力1.45 MPa。

(2)澆筑蝸殼混凝土?xí)r,嚴(yán)格審核蝸殼層混凝土分層方案(分為三層,蝸殼底部、蝸殼腰線、水輪機層),混凝土澆筑上升速度不應(yīng)超過300 mm/h,每層澆高不大于2 m。且要求混凝土連續(xù)均勻入倉,減少對蝸殼的浮托力、側(cè)壓力。督促承包人注意加強監(jiān)測座環(huán)和蝸殼的位移及變形情況,并及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整混凝土的澆筑速度、下料順序及振搗方式。

(3)混凝土養(yǎng)護期后泄壓并拆除打壓試驗設(shè)備,復(fù)測座環(huán)和蝸殼尺寸,與設(shè)計要求進行對比。

(4)對蝸殼過流面進行檢查、防腐處理。

4.2 蝸殼安裝焊接技術(shù)調(diào)整措施

針對3號機蝸殼焊縫裂縫問題,參建各方多次進行原因分析、技術(shù)探討、開會研究,最后決定將減少殘余應(yīng)力作為突破口,遂采取了調(diào)整蝸殼焊接方式、焊接順序、加強焊接工藝及細(xì)節(jié)控制、改善現(xiàn)場環(huán)境等技術(shù)調(diào)整措施。

(1)焊接作業(yè)方式由手工電弧焊調(diào)整為二氧化碳混合氣體(78%CO2+22%Ar)保護焊。

(2)將第4節(jié)、第5節(jié)之間,第12節(jié)、第13節(jié)之間的環(huán)縫割開,以進一步釋放應(yīng)力。

(3)在蝸殼節(jié)上增加履帶式加熱片,減少溫差。

(4)現(xiàn)場搭設(shè)彩條布,做好封閉措施,避免風(fēng)速影響焊接質(zhì)量。

(5)進一步加強蝸殼的內(nèi)外加固工作,避免因自重產(chǎn)生外應(yīng)力。

(6)進一步加強施工現(xiàn)場的環(huán)境監(jiān)測工作,確保其溫度、濕度、風(fēng)速滿足焊接條件。

(7)調(diào)整焊接順序。先焊接蝸殼上、下蝶形邊,再依次焊接蝸殼節(jié)環(huán)縫,最后焊接蝸殼進口段的舌板、環(huán)焊縫焊接。蝸殼上、下蝶形邊焊接步驟為:首先焊接蝸殼上蝶形邊外側(cè)焊接(4層),再焊接下蝶形邊外側(cè)焊縫(4層),再從蝸殼內(nèi)側(cè)清根、打磨、焊接。采用多段、多層、多道、退步焊接,每焊接一層,用風(fēng)鏟做均勻錘擊處理,焊前預(yù)熱,后棚內(nèi)濕度<50%,焊接處溫度>80 ℃。焊接后熱處理,每天焊接完后,預(yù)留約1 h的后熱時間。環(huán)焊縫的焊接是先將坡口側(cè)焊縫焊滿,從另一側(cè)進行清根、焊接。

4.3 蝸殼缺陷處理結(jié)果

通過承包人焊接工藝及順序的調(diào)整、工序質(zhì)量精細(xì)化管理、現(xiàn)場環(huán)境條件的進一步改善。機組蝸殼上、下蝶形邊焊接完成后,均進行了UT探傷檢查,無裂紋缺陷存在。并請第三方對焊接質(zhì)量進行了檢測,未發(fā)現(xiàn)線狀缺陷。后續(xù)承包人按照設(shè)計和廠家蝸殼水壓試驗說明書要求進行了蝸殼水壓試驗,試驗過程順利,無異常情況。

5 結(jié) 語

從鍋浪蹺水電站蝸殼安裝焊接中發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷、后續(xù)的處理措施、處理過程和結(jié)果來看,要保證蝸殼安裝焊接質(zhì)量,除加強焊接前的焊接工藝、焊接順序、方案等技術(shù)準(zhǔn)備外,焊接過程更要注意減少焊接殘余應(yīng)力,加強焊接環(huán)境控制及焊接過程中的預(yù)熱、后熱、層間打磨、焊條保溫等精細(xì)化管理。目前,鍋浪蹺水電站三臺機組投運已穩(wěn)定運行了半年多,機組運行情況良好,說明蝸殼安裝焊接質(zhì)量可靠。