淺析高寒環(huán)境下水輪機(jī)蝸殼焊接質(zhì)量控制

王 英，李永強(qiáng)，張春海

（1.中國(guó)水利水電第四工程局機(jī)電安裝分局，青海 循化 811100；2.中國(guó)水利水電第十工程局機(jī)電安裝分局，青海 循化 811100；3.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司工程建設(shè)分公司，青海 西寧 810000）

積石峽水電站安裝3臺(tái)套單機(jī)容量為340 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)安裝高程1 777.2 m。蝸殼共分31個(gè)管節(jié)卷制，其中第26、27節(jié)在出廠前已與座環(huán)焊接成整體，進(jìn)水管段（第28、29、30、31節(jié)）及其余各管節(jié)（第1節(jié)～第25節(jié)）需在工地裝配、焊接而成。蝸殼進(jìn)水口的內(nèi)徑為φ9 818 mm，管壁最大厚度為42 mm，最小厚度為20 mm；蝸殼進(jìn)水口與機(jī)組壓力鋼管相連接。蝸殼布置見(jiàn)圖1。

積石峽水電站1號(hào)機(jī)蝸殼在北方最寒冷的冬季（最低氣溫-11.8℃）且在露天環(huán)境中焊接，焊接環(huán)境十分惡劣。

1 蝸殼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

圖1 蝸殼管節(jié)布置示意

由于積石峽水電站1號(hào)機(jī)蝸殼焊接正值冬季的露天環(huán)境下焊接，且受風(fēng)、雨、雪等氣象因素的影響，焊接現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度低、濕度大等諸多不利于保證蝸殼焊接質(zhì)量的環(huán)境因素。在這種環(huán)境條件下，必須使蝸殼焊接的工藝及質(zhì)量控制措施更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，且合理可行。正式焊接之前在工地進(jìn)行了蝸殼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

（1）材質(zhì)及焊接材料。①與蝸殼焊接相關(guān)的座環(huán)材質(zhì)為Q345C鋼板、蝸殼材質(zhì)為B610CF鋼板、壓力鋼管材質(zhì)為WDB620鋼板。②焊接材料為GB E6015-G。

（2）試板的選擇。①座環(huán)材質(zhì)Q345C與蝸殼蝶形邊材料WDB620異種鋼材與焊接熔敷材料GB E6015-G的焊接工藝參數(shù)及力學(xué)性能檢驗(yàn)。②對(duì)壓力鋼管制作材料WDB620與蝸殼材料B610CF同種鋼焊接及焊接材料GBE6015-G的焊接工藝參數(shù)及力學(xué)性能試驗(yàn)。

（3）焊接工藝評(píng)定的環(huán)境條件。為了使焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)場(chǎng)所的環(huán)境條件與1號(hào)機(jī)蝸殼焊接的環(huán)境條件接近，提高試驗(yàn)參數(shù)的可靠性、適應(yīng)性，將焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)場(chǎng)所設(shè)在了積石峽水電站機(jī)電安裝臨建場(chǎng)地內(nèi)。

（4）焊接工藝評(píng)定參與人員。根據(jù)蝸殼焊接質(zhì)量和進(jìn)度總體要求，擬參加積石峽水電站座環(huán)、蝸殼安裝施工的焊接人員均參加了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，一方面使焊工了解和掌握蝸殼與座環(huán)、蝸殼與壓力鋼管異種材質(zhì)的焊接性、工藝性，包括母材性能、焊材牌號(hào)、焊接程序、坡口形式、焊接位置、焊縫類(lèi)型等；另一方面，通過(guò)每個(gè)焊工焊接工藝評(píng)定試板的焊接質(zhì)量，選定蝸殼正式焊接的焊接人員。

（5）試板的焊接位置。由于蝸殼環(huán)縫呈 “立面圓形”，蝸殼與座環(huán)蝶形邊焊縫呈 “水平直線形”。針對(duì)復(fù)雜的焊縫位置形式，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)的試板分平焊、仰焊、立焊、橫焊4種位置分別進(jìn)行。

2 蝸殼焊接工藝及質(zhì)量控制措施

2.1 蝸殼其他管節(jié)環(huán)縫的焊接工藝及措施

焊接前按照廠家規(guī)定的預(yù)熱溫度進(jìn)行焊前預(yù)熱。焊接方法為手工電弧焊，焊接設(shè)備為ZX-500直流焊機(jī)。焊條牌號(hào)：GBE6015-G（相當(dāng)于ASME 9015-G）。

具體的焊接工藝規(guī)程如下：

（1）焊接材料的烘干、保溫及使用。焊條在使用前先在300～350℃烘干箱內(nèi)烘焙1.5～2 h，并在100～150℃的焊條保溫箱內(nèi)保存，隨用隨取。

（2）焊前溫度。蝸殼焊接前采用履帶式電加熱器對(duì)焊接坡口兩側(cè)約100 mm的范圍內(nèi)預(yù)熱，利用紅外線測(cè)溫儀從加熱的背面進(jìn)行預(yù)熱溫度的監(jiān)測(cè)，預(yù)熱溫度控制在100℃左右。對(duì)于不便于履帶式電加熱器布置的預(yù)熱區(qū)域，采用氧-乙炔火焰預(yù)熱。

（3）焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。焊條擺動(dòng)寬度約3倍焊條直徑，控制在1～15 mm之間。焊層厚2.5～4 mm。根據(jù)每節(jié)蝸殼的焊縫長(zhǎng)度，每個(gè)焊工焊縫長(zhǎng)度按1.5 m考慮，焊接時(shí)每條縫上的焊工同時(shí)開(kāi)始，對(duì)稱(chēng)進(jìn)行焊接。

表1 蝸殼焊接工藝參數(shù)

（4）減小焊接應(yīng)力的措施。每焊完一層，及時(shí)用風(fēng)鏟錘擊焊縫中間，以釋放焊接應(yīng)力，并采用MT及時(shí)進(jìn)行探傷。

（5）防護(hù)保溫措施。在施焊部位的上部搭設(shè)可移動(dòng)式防護(hù)棚。在每條焊縫焊接期間采取不間斷加熱，即焊縫兩面交替加熱的方式，確保焊縫溫度在施焊期間保持在一定的溫度梯度內(nèi)。

（6）蝸殼環(huán)縫的焊接順序?？偟暮附禹樞?yàn)橄群腹芄?jié)間的環(huán)縫，湊合節(jié)縱縫、環(huán)縫，最后焊接蝸殼與過(guò)渡板焊縫；蝸殼環(huán)縫從蝸殼中心線處分為4部分，即上部環(huán)縫（上內(nèi)、上外）和下部環(huán)縫（下內(nèi)、下外）。其中，上部焊縫先焊接外部坡口（非過(guò)流面），下部環(huán)縫先焊接內(nèi)部坡口（過(guò)流面）。焊至坡口的2/3厚度后在背部清根，蝸殼環(huán)縫兩端約400 mm范圍的焊縫最后焊接。環(huán)縫、湊合節(jié)縱縫及座環(huán)過(guò)渡板與蝸殼連接焊縫，根據(jù)其焊縫長(zhǎng)度，采用多層多道、分段退焊法，對(duì)稱(chēng)均衡施焊。焊完一側(cè)后，背縫清根，進(jìn)行磁粉探傷（MT），合格之后完成另外一側(cè)的焊接。

（7）消氫處理。在蝸殼每條焊縫焊接后，其溫度不低于100℃前采用履帶式電加熱其對(duì)焊縫進(jìn)行后熱，后熱溫度250℃，保溫4 h。

（8）蝸殼焊接預(yù)熱、后熱溫度曲線如見(jiàn)圖2。

圖2 蝸殼焊接預(yù)熱、后熱溫度曲線示意

2.2 蝸殼湊合節(jié)（第5、12、19節(jié)）的焊接

蝸殼第5、12、19湊合節(jié)的焊接分縱縫焊接和環(huán)縫焊接，先進(jìn)行縱縫的焊接，再進(jìn)行環(huán)縫的焊接。3節(jié)湊合節(jié)的最后1條環(huán)縫焊接必須錯(cuò)開(kāi)進(jìn)行，以避免兩條環(huán)縫同時(shí)焊接過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生焊縫開(kāi)裂。湊合節(jié)的環(huán)縫、湊合節(jié)縱縫及座環(huán)過(guò)渡板與蝸殼連接焊縫，根據(jù)其焊縫長(zhǎng)度，采用多層多道、分段退焊法，對(duì)稱(chēng)均衡施焊。焊完一側(cè)后，背縫清根，進(jìn)行磁粉探傷（MT），合格之后完成另外一側(cè)的焊接。

2.3 蝸殼縱縫的焊接

在蝸殼進(jìn)水口段環(huán)縫未焊接之前，蝸殼其他環(huán)縫均焊接結(jié)束之后進(jìn)行蝸殼與座環(huán)之間的縱縫焊接。蝸殼縱縫的焊縫由18～20名焊工對(duì)稱(chēng)進(jìn)行焊接，焊接時(shí)蝸殼上、下縱縫各由9～10名焊工進(jìn)行施焊，采用多層多道分段退步焊，每段長(zhǎng)200～400 mm。多層多道焊時(shí)，每焊一層將焊道的熔渣、飛濺物仔細(xì)清理干凈，檢查合格后進(jìn)行下一層的焊接，層間接頭錯(cuò)開(kāi)40 mm以上。焊滿(mǎn)1/2～2/3坡口深度后在背面清根、打磨，焊完后再焊滿(mǎn)背面坡口。

3 焊縫的檢驗(yàn)

3.1 蝸殼焊縫的檢驗(yàn)

蝸殼各管節(jié)焊接、消氫處理結(jié)束后打磨焊縫表面，在焊后48 h進(jìn)行UT、MT、RT等探傷檢查。

（1）采用RT探傷。各焊縫檢查長(zhǎng)度：環(huán)縫為10%，焊縫質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅲ級(jí)；縱縫和蝶形邊焊縫為20%，焊縫質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)的要求。蝸殼與座環(huán)過(guò)渡板的連接焊縫，湊合節(jié)縱縫和所有 “T”形焊縫做100%的RT探傷，經(jīng)檢測(cè)，3臺(tái)機(jī)組蝸殼焊縫合格率都在99%以上。

（2）采用UT探傷。各焊縫檢查長(zhǎng)度：環(huán)縫、縱縫和蝶形邊焊縫均為100%，環(huán)縫質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅱ級(jí)，縱縫和蝶形邊焊縫的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅰ級(jí)的要求。蝸殼與座環(huán)過(guò)渡板的連接焊縫，湊合節(jié)縱縫和所有“T”形焊縫做100%UT探傷。經(jīng)檢測(cè)，3臺(tái)機(jī)組蝸殼焊縫合格率都在99.5%以上。

（3）蝸殼施工過(guò)程中所有臨時(shí)搭板割除、補(bǔ)焊、打磨后進(jìn)行MT探傷檢查。

3.2 焊縫缺陷的處理和補(bǔ)焊

經(jīng)焊接檢驗(yàn)，在焊縫內(nèi)部和表面發(fā)現(xiàn)有裂紋等焊接缺陷時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。焊縫內(nèi)部缺陷應(yīng)用碳弧氣刨或砂輪機(jī)將存在缺陷的焊縫及焊接區(qū)域的滲碳層清除，并用砂輪修磨成便于焊接的凹槽，焊前進(jìn)行MT或PT探傷檢查。焊接時(shí)按照正式的焊接工藝規(guī)程進(jìn)行預(yù)熱、焊接、消氫處理。返修后的焊縫，應(yīng)用砂輪將焊補(bǔ)處磨平，用無(wú)損探傷復(fù)查。

4 蝸殼焊接質(zhì)量控制措施

（1）蝸殼焊接過(guò)程中的監(jiān)督檢查：①檢查焊工焊接電流、焊接速度等焊接工藝參數(shù)執(zhí)行情況。②要求焊工嚴(yán)格按照焊接部位的施焊順序和施焊方向進(jìn)行施焊。③檢查預(yù)熱溫度。在焊接過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)焊接部位的溫度變化，隨時(shí)測(cè)量檢查預(yù)熱溫度，并做好預(yù)熱記錄。④檢查焊條的使用情況?，F(xiàn)場(chǎng)使用的焊條應(yīng)裝入保溫筒，焊條在保溫筒內(nèi)的時(shí)間不宜超過(guò)4 h，超過(guò)后，應(yīng)重新烘干，且重復(fù)烘干次數(shù)不宜超過(guò)2次。⑤檢查焊道表面質(zhì)量。在焊接過(guò)程中，應(yīng)注意觀察焊道成形過(guò)程和檢查焊道表面質(zhì)量，焊道寬度、焊道波紋及焊道在焊層的分布應(yīng)處于理想狀態(tài)；焊道表面不應(yīng)有裂紋、氣孔、夾渣等焊接缺陷。⑥在整個(gè)焊接過(guò)程中，嚴(yán)格管理焊接資料，使其真實(shí)全面地反映蝸殼焊接的質(zhì)量狀態(tài)，便于各方掌握焊接過(guò)程的細(xì)節(jié)。

（2）蝸殼焊后的監(jiān)督檢查：①焊縫外觀及尺寸。焊接工作結(jié)束后，要及時(shí)清理熔渣和飛濺，按質(zhì)量控制計(jì)劃表中規(guī)定項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。②無(wú)損檢測(cè)。蝸殼焊縫的探傷應(yīng)在焊后48 h后進(jìn)行，焊縫中缺陷返修后應(yīng)按原探傷條件進(jìn)行復(fù)探，復(fù)探時(shí)應(yīng)向返修兩端各延長(zhǎng)至少50 mm作擴(kuò)大探傷。

5 結(jié)論

積石峽水電站水輪機(jī)蝸殼在焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，掌握了焊接各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)；焊接過(guò)程中采用了合理的焊接方法、工藝，有效的消應(yīng)措施，防護(hù)保溫措施，嚴(yán)格的質(zhì)量保證措施和過(guò)程控制，確保了蝸殼焊接質(zhì)量；焊接后，采用了有效的消氫處理工藝、消應(yīng)措施，焊接后經(jīng)檢測(cè)一次合格率達(dá)99%以上。從焊縫無(wú)損檢測(cè)結(jié)果看，焊接工藝、焊接質(zhì)量良好。積石峽水電站蝸殼焊接工藝的成功實(shí)施，為今后類(lèi)似B610CF高強(qiáng)鋼蝸殼在冬季低溫、環(huán)境惡劣的條件下焊接積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］俞尚知.焊接工藝人員手冊(cè)［K］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社.1991.

［2］DLT5070—1997 水輪機(jī)金屬蝸殼安裝焊接工藝導(dǎo)則［S］.

［3］GB8564—2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范［S］.