不銹鋼轉輪室裂紋焊接變形原因分析及預防措施

楊應武

（中電建電力檢修工程有限公司，四川 樂山 614013）

0 研究背景

某水電站裝機4 臺軸流轉槳式機組，單機容量120 MW，水輪機型號為ZZD345E-LH-850，額定水頭24.5 m，額定轉速76.9 r/min。機組轉輪室為0Cr18Ni9Ti 不銹鋼分瓣結構，過流面采用不銹鋼板模壓成型，轉輪室加工處理后的設計厚度為35~50 mm。

2023 年4 月開展3 號機組C 級檢修時發現轉輪室+Y 方向約有6.2 m×0.9 m 的大面積空腔，且空腔部位中間有上、下兩條較長裂紋，裂紋呈貫穿、錯牙現象，上部裂紋呈線性，長約1.55 m，錯牙約1.0 mm，高度距轉輪室底部約0.86 m。下部裂紋呈波浪狀，長約1.9 m，距轉輪室底部0.55 mm，裂紋錯牙約2.0 mm。

機組狀態為C 級檢修，檢修空間和時間上均受限較大，因此，轉輪室裂紋采用時效性較強的現地焊縫修補處理，經焊接處理后，轉輪室焊接部位及焊縫上球形圓發生較大變形，最大變形量達到10 mm。

1 研究方向

焊接后進行盤車檢查轉輪室間隙，經檢查發現轉輪室焊縫上下區域400 mm 內變形較大，最大達到10 mm 以上。根據現場實際情況和處理過程控制措施，分析焊接后產生較大變形的原因，包括不銹鋼焊接變形形式、本次焊接變形主要原因。根據原因分析，從工藝控制措施、焊接材料控制措施、剛性固定措施等方面研究和探討不銹鋼轉輪室在焊接過程中的注意事項和變形控制方法。

2 焊接施工情況

2.1 焊接變形量測量控制

對轉輪室兩條長裂紋做UT+PT 探傷檢測，檢測裂紋情況，找到裂紋兩端起始點位置，并鉆止裂孔，止裂孔孔徑Φ12 mm。動作槳葉，測量槳葉與轉輪室間隙，作為焊后轉輪室是否變形的參考依據。

2.2 焊接坡口

坡口為單邊“Y”型，實際操作中先利用碳弧棒清根至底部，然后利用鋼磨機進行打磨，直至完全露出金屬顏色，且無氣刨時遺留的碳化痕跡。坡口寬度約7 mm。

2.3 焊前控制

（1）將焊接區域及四周50 mm 范圍內的油污、水分等雜質清理干凈。

（2）因轉輪室環境濕度大，轉輪室裂紋焊接修復需進行加熱處理，加熱選用火焰加熱，焊接前預熱溫度控制在100~120 ℃；焊接期間溫度不超過180 ℃且不低于100 ℃。

（3）焊條選用。焊接材料選用E309 不銹鋼焊條，烘焙溫度為200~250 ℃，烘焙時間為1～2 h,隨烘隨用。烘焙好的焊條放在通電保溫（80~150 ℃）帶蓋常閉的焊條保溫筒內，嚴禁裸手抓取焊條。

2.4 焊接工藝

（1）轉輪室兩條長焊縫采用SMAW 焊接法，其焊接工藝參數如表1 所示。

表1 手工電弧焊焊接工藝規范

（2）在裂紋焊接坡口底部使用敲掉藥皮后的E309 焊芯作為墊板焊接，使用E309 不銹鋼電焊條進行多層窄道焊，除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層應用風鏟進行錘擊，以釋放焊接應力。

（3）裂紋打底層和蓋面焊均使用Φ3.2 mm 焊條，填充焊使用Φ4.0 mm 焊條。采取分段退步焊或分段跳躍焊，分段長度均為300~400 mm。多層多道焊接，焊道縱向搭接長度不少于25 mm，焊道橫向相互覆蓋寬度為焊道寬度的1/3；立向上焊位置焊條橫向運條幅度不大于焊芯直徑的3 倍，其余位置焊條焊接不應橫向擺動，采用硬規范焊接，即走直線快速焊接。

（4）焊接中著重采用“直線運條焊”原則、“大”電流快速焊（即采用硬規范）、限制焊接熱輸入不大于25 kJ/cm。焊后緩冷，不采用后熱處理。

2.5 焊后變形情況

焊接過程中，采用鋼琴線測量法，測量轉輪室向心尺寸變化，焊接后采用盤車方式檢查轉輪室焊后間隙。焊接過程中對變形測量，變形量為2~4 mm。焊接后，進行槳葉動作試驗并盤車檢查，與修前試驗比較，發現焊接部位及焊縫上方球形圓區域發生較大變形量，如圖1 所示。最大部位在球形圓中心上下200 mm 位置，變形量達到10 mm 以上，轉輪室與槳葉間隙基本為零。

圖1 轉輪室焊接部位及焊后變形區域

圖2 焊縫橫向截面示意圖

3 焊接變形原因分析

3.1 不銹鋼板焊接變形形式

焊接過程中焊件產生的變形稱為焊接變形。焊后，焊件殘留的變形稱為焊接殘余變形。焊接殘余變形有縱向收縮變形、橫向收縮變形、角變形、彎曲變形、扭曲變形和波浪變形等共6 種，其中焊縫的縱向收縮變形和橫向收縮變形是基本的變形形式。

3.2 變形原因分析

轉輪室材質為0Cr18Ni9Ti，屬于奧氏體不銹鋼，為超低碳級不銹鋼，耐腐蝕性較強，但是其較高的熱膨脹系數及較低的熱傳導系數，會使在焊接過程中產生收縮變形及殘余應力變形[1]。

轉輪室在焊接過程中進行數據監測，其轉輪室直徑方向，向中心位置偏移2~4 mm, 修前轉輪室測量間隙為9.5~14 mm，轉輪室設計間隙為5.5~8.5 mm。因此，焊接中變形是受控狀態。焊接后，對焊縫鏟磨處理后，進行檢查發現轉輪室間隙基本為零，變形量達到10 mm以上，已經不滿足設計間隙。根據測量數據及變形情況分析，此處變形主要是因為橫向收縮變形及殘余應力變形引起轉輪室球形圓面直徑變小產生的。產生此現象的主要原因如下：

（1）橫向變形量核算。按照焊接處鋼板厚度及焊縫尺寸，對接接頭橫向收縮變形量（ΔS）利用近似計算公式核算：

式中：

Aw=焊道橫截面積（mm2）；

t=母材厚度(mm）；

d=根部開口間隙（mm）。

計算Aw=900 mm2，測量母材厚度t=45 mm，根部開口5 mm，上部開口為55 mm。根據數據計算橫向收縮量為6.25 mm。

（2）應力變形。奧氏體不銹鋼在焊接中將會產生殘余應力，在焊接后，進行焊縫鏟磨過程中，殘余應力將會大量進行釋放，釋放的位置均在強度薄弱位置。轉輪室修前已經得知鋼板球形面位置、焊縫位置與混凝土已經剝開，因此球形面位置屬于受力最薄弱地方。

（3）焊接變形預防措施考慮不周造成變形無控制發展。在進行防止焊接變形控制方案中，僅僅采用了焊接工藝、焊接方法控制措施，未采取其他方式進行控制，造成收縮變形及殘余應力變形在球形面區域發展迅速，且變量增大。

4 焊接變形預防措施

4.1 焊接工藝控制

合理焊接工藝可以有效防止不銹鋼產生應力變形[2]，在本次焊接中焊接工藝采取了分段退步焊接、大電流直線快速焊接、限制焊接熱輸入不大于25 kJ/cm 等焊接工藝，適用于奧氏體不銹鋼材質焊接。

4.2 錘擊法消除層間應力

本次焊接過程中采用風鏟敲擊進行應力消除，但是，由于要求工期緊張，風鏟與焊接同步開展，沒有專門預留風鏟消除應力時間。應安排專人，每段每層焊接后，進行應力風鏟消除應力，直至焊道溫度降至室溫為止。

4.3 剛性固定法防止變形

采用合理的焊接工藝及錘擊法消除層間應力后，在焊縫形成時，必定還存在較大的殘余應力未消除。為了減小奧氏體不銹鋼在敏化溫度區停留時間,防止晶體腐蝕，一般焊后不再進行后熱消應力處理，采用快冷方式冷卻。本次處理，為確保焊接變形可控，采用了緩冷方式，但是殘余應力帶來的變形仍然很大。因此，應采用剛性固定法防止變形，讓應力在相當一段時間內慢慢釋放，具體措施如下：

（1）焊前應灌漿完成。在焊接前利用小電流封焊裂紋，然后按照灌漿工藝進行灌漿，水泥選用特細硅酸鹽水泥，強度等級大于42.5R，水灰比為0.8、0.6（或0.5）兩個比級。灌漿后應有至少5 d 等待期，然后再采用無溶劑環氧灌漿材料進行二次灌漿，確保所有空腔全部密實。

（2）轉輪室設置加強板。加強板采用C 型鋼板，C 形鋼板支撐在焊縫兩側。鋼板長度400 mm，厚度50 mm，設在施焊部位（300 mm）兩端，在非焊接另一裂縫處設置不少于3 塊C 形鋼板支撐。

采用上述措施后，轉輪室外側由混凝土貼死，內側由加強板固定死，完全箍死在一個范圍內，其伸縮變形及殘余應力變形的薄弱點已不再此位置，應力將會在運行過程中，很長一段時間內進行釋放，由于應力釋放緩慢，同時轉輪室外壁與混凝土貼死，不會產出大的變形現象，如圖3 所示。

圖3 加強板設置示意圖

5 結語

不銹鋼在焊接中由于熱脹冷縮大很容易出現熱裂紋、焊接過程中變形大、焊縫冷卻時收縮應力大等不利因素。因此，針對軸流轉槳轉輪不銹鋼轉輪室，在現場進行焊接處理時，防止焊件變形是控制的重點。本文通過對現場焊接處理的不銹鋼轉輪室變形產生的原因進行了分析，提出了焊接中應采取的焊接變形措施，為同行提供了一定借鑒經驗。