高水頭混流式水輪機(jī)分半式焊接轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)及焊接控制

蔣坤臣

（杭州睿博水電科技有限公司，浙江 杭州 311215）

1 問題的提出

對(duì)高水頭混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)電站的轉(zhuǎn)輪整體結(jié)構(gòu)最大威脅是轉(zhuǎn)輪葉片與上冠下環(huán)連接處焊縫缺陷的疲勞裂紋擴(kuò)展。疲勞載荷一般由于導(dǎo)葉后尾流出現(xiàn)壓力脈動(dòng)所引起，這是一種典型的高頻交變疲勞載荷。為了提高轉(zhuǎn)輪焊縫抗疲勞的能力，可采用分半式焊接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)輪焊接結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使轉(zhuǎn)輪葉片焊縫從傳統(tǒng)的2條減少為1條，焊縫從葉片兩端高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至葉片中部低應(yīng)力區(qū)，大大降低轉(zhuǎn)輪葉片根部出現(xiàn)疲勞裂紋的概率。本文就轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生疲勞裂紋的原理以及如何解決這一問題作簡(jiǎn)要論述。

2 轉(zhuǎn)輪疲勞裂紋產(chǎn)生的原理

一臺(tái)具有24個(gè)導(dǎo)葉的典型高水頭混流式水輪機(jī)，如轉(zhuǎn)速為500 r/min，則這臺(tái)水輪機(jī)將經(jīng)受720000次/h的載荷變化。按照一般用于混流式轉(zhuǎn)輪的鋼材延伸率，在這種載荷作用下，焊縫處裂紋將按一定的速度發(fā)展，并會(huì)在很短的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，材料將產(chǎn)生斷裂的情況。因此，混流式轉(zhuǎn)輪的抗疲勞能力取決于疲勞裂紋產(chǎn)生的閾值水平，而這個(gè)閾值取決于下面3個(gè)主要參數(shù)：①靜態(tài)應(yīng)力水平；②動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平；③轉(zhuǎn)輪材料中的缺陷大小。

靜態(tài)應(yīng)力水平取決于外部的靜載荷和殘余應(yīng)力。外部的靜載荷取決于轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)。通過有限元計(jì)算分析，轉(zhuǎn)輪的最大應(yīng)力通常發(fā)生在轉(zhuǎn)輪出口葉片和下環(huán)相連接的區(qū)域，由于焊接結(jié)構(gòu)的熱影響區(qū)存在殘余應(yīng)力是不可避免的。英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)在文件PD 6493∶1991（3）《焊接缺陷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)若干方法指南》中推薦，如果采用焊后熱處理消除應(yīng)力，則殘余應(yīng)力水平假定為焊接材料屈服強(qiáng)度的30%。

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)載荷主要通過導(dǎo)葉后帶壓力尾流產(chǎn)生，導(dǎo)致水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪葉片。如果轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)未考慮疲勞因素，且制造質(zhì)量又不是很好，這種動(dòng)態(tài)載荷會(huì)引起高頻交變疲勞裂紋的發(fā)展，甚至?xí)霈F(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片局部斷裂，引起嚴(yán)重事故。

根據(jù)眾多高水頭、超高水頭混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片焊縫出現(xiàn)裂紋的情況普遍存在，嚴(yán)重影響電站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。

為解決轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的問題，各個(gè)廠家都在努力研究和摸索。下面對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及焊接制造方法做簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)論述分半式焊接轉(zhuǎn)輪及焊接控制方法。

3 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)焊接制造方法及缺點(diǎn)

傳統(tǒng)混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和葉片3部分組成。常規(guī)制造方法是將上冠、下環(huán)和葉片分別加工成型，然后裝配在一起，裝配幾何尺寸檢查合格后焊接成一個(gè)整體（見圖1）。

圖1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪組焊示意圖

對(duì)于高水頭、超高水頭的混流式水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)而言，其轉(zhuǎn)輪特點(diǎn)是轉(zhuǎn)輪流道高度小，轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口直徑比值大，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量可多達(dá)30片，流道彎曲狹長(zhǎng)，采用常規(guī)結(jié)構(gòu)和焊接制造方法，主要有以下幾方面缺陷：

（1）受轉(zhuǎn)輪內(nèi)部空間限制，葉片焊縫焊接困難。葉片中部位置焊接時(shí)看不見、夠不著，很難完全焊透；

（2）葉片特殊的彎曲傾斜形狀使得焊縫的位置和角度在焊接時(shí)很困難；

（3）葉片焊縫中部位置無損探傷困難，沒有操作空間，甚至無法探傷；

（4）葉片焊縫無法打磨，焊縫圓角無法滿足性能要求；

（5）轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的材料為不銹鋼鑄件，大型鑄件材料內(nèi)部容易出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷，嚴(yán)重影響焊縫質(zhì)量；

（6）焊縫位于轉(zhuǎn)輪的高應(yīng)力區(qū)，轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中易于出現(xiàn)裂紋，極端情況出現(xiàn)葉片斷裂的情況。

4 分半式焊接轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)

通過對(duì)轉(zhuǎn)輪的有限元模擬分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的高應(yīng)力區(qū)位于葉片與上冠和下環(huán)焊接的進(jìn)出口根部區(qū)域，轉(zhuǎn)輪葉片中部位置應(yīng)力較低（見圖2）；而傳統(tǒng)的焊接制造方法剛好將焊縫布置在高應(yīng)力區(qū)，這直接增加葉片進(jìn)出口位置焊縫由于疲勞引起裂紋的概率。

圖2 轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果圖

為解決上述問題，可以設(shè)計(jì)一種新型的分半式焊接轉(zhuǎn)輪，改變傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)輪焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪由上冠和下環(huán)2部分組成（見圖3），取消傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的葉片。該結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)輪葉片沿流線對(duì)分，葉片的上半部分設(shè)計(jì)在上冠，葉片的下半部分設(shè)計(jì)在下環(huán)；轉(zhuǎn)輪焊縫位于轉(zhuǎn)輪葉片的中部，而中部恰好是轉(zhuǎn)輪的低應(yīng)力區(qū)，從而避免轉(zhuǎn)輪葉片焊縫由于連續(xù)的高頻交變載荷引起的疲勞裂紋。

圖3 分半式轉(zhuǎn)輪組焊示意圖

帶葉片的上冠和帶葉片的下環(huán)采用不銹鋼材料整體鍛造，鍛件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密，內(nèi)部晶粒一致性較好，不容易出現(xiàn)內(nèi)部缺陷，且能有效提高轉(zhuǎn)輪的機(jī)械性能。上冠和下環(huán)鍛造成一個(gè)簡(jiǎn)單的圓環(huán)，環(huán)形鍛件易于成型，便于控制鍛件質(zhì)量。鍛件熱處理前后均需進(jìn)行超聲波探傷檢查，嚴(yán)格控制內(nèi)部缺陷的尺寸大小，單個(gè)缺陷不大于2 mm×1 mm，任何線性缺陷都是不可接受，所有超標(biāo)缺陷必須完全去除，焊接修補(bǔ)后，重新探傷檢查合格后方可開始加工葉片的幾何形狀。

上冠和下環(huán)采用數(shù)控加工葉片的形狀，加工后的上冠和下環(huán)見圖4、圖5，葉片的位置比傳統(tǒng)人工裝配結(jié)構(gòu)更為準(zhǔn)確，降低手工裝配葉片和焊接變形引起的尺寸偏差。精密數(shù)控機(jī)床加工的葉片與上冠、下環(huán)之間過渡圓角形狀尺寸均勻，過渡自然光滑，質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)輪的不平衡量??；轉(zhuǎn)輪的幾何相似性很好，提高轉(zhuǎn)輪的水力性能和轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖4 轉(zhuǎn)輪上冠示意圖

圖5 轉(zhuǎn)輪下環(huán)示意圖

轉(zhuǎn)輪上冠與下環(huán)之間僅有1條焊縫，而該焊縫位于轉(zhuǎn)輪的低應(yīng)力區(qū)，降低轉(zhuǎn)輪高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)裂紋的機(jī)會(huì)。同時(shí)也解決焊接空間狹小引起的焊接困難，減少焊接和打磨的工作量，降低轉(zhuǎn)輪的制作周期和制作成本。

帶部分葉片的上冠和帶部分葉片的下環(huán)經(jīng)過數(shù)控加工完成后，采用三維測(cè)量?jī)x器進(jìn)行幾何尺寸測(cè)量，所采集的數(shù)據(jù)必須與原始的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行模擬比較，所有尺寸和偏差必須符合IEC 60193標(biāo)準(zhǔn)的要求，方可轉(zhuǎn)入下一步工序。

轉(zhuǎn)輪焊接前需將驗(yàn)收合格的上冠和下環(huán)進(jìn)行預(yù)裝配，以檢查上冠部分和下環(huán)部分的葉片是否能對(duì)齊，必要時(shí)旋轉(zhuǎn)上冠和下環(huán)，以找到最優(yōu)的配對(duì)位置，確保轉(zhuǎn)輪葉片開口滿足設(shè)計(jì)要求后并點(diǎn)焊定位。

5 焊接和無損探傷控制方法

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，除設(shè)計(jì)和使用材料很重要以外，轉(zhuǎn)輪的焊縫質(zhì)量尤其重要，制造過程中必須執(zhí)行嚴(yán)格的過程控制。焊接和焊接操作人員須取得 EN/ASME或與之相當(dāng)?shù)馁Y質(zhì)。須由有資質(zhì)的焊工按照批準(zhǔn)焊接工藝，完成轉(zhuǎn)輪所有焊接。焊接工藝須按ISO 15607和ISO 15614-1或ASME IX的要求認(rèn)證。根據(jù)ASME VIII Div.1 UW37要求，制造車間應(yīng)有焊接和焊接操作人員的認(rèn)證體系。轉(zhuǎn)輪制造須提供焊工及焊接操作記錄。所有轉(zhuǎn)輪焊縫均需焊透，葉片焊接坡口必須加工成型。無損探傷要求可隨實(shí)際葉片載荷的變化而變化。

對(duì)于轉(zhuǎn)輪焊后熱處理以后的小缺陷修復(fù)，可以使用奧氏體焊材。如果補(bǔ)焊超過100 mm2或葉片厚度 t的1/4，須經(jīng)設(shè)計(jì)工程師評(píng)估是否可以使用奧氏體焊材。焊接修補(bǔ)需要有適用WPS等工藝文件支持，所有焊接熱處理后的缺陷修補(bǔ)都需要記錄歸檔。

馬氏體材料04Cr13Ni5Mo的焊接要求：預(yù)加熱將會(huì)用到在整個(gè)焊接過程中，加熱溫度參照WPS焊接規(guī)范；通過電氣元件進(jìn)行預(yù)加熱，僅用燃燒氣體預(yù)加熱的方法是不被允許的。然而乙炔/氧氣可以作為一種“輔助工具”使加熱溫度更快的到達(dá)正確值。當(dāng)進(jìn)行根部焊接時(shí)，也應(yīng)該進(jìn)行預(yù)熱，但是可以使用稍低一些的焊接溫度。在焊接期間，預(yù)加熱應(yīng)該作用到所有轉(zhuǎn)輪葉片上。轉(zhuǎn)輪焊接完成時(shí)，轉(zhuǎn)輪仍要加熱（在轉(zhuǎn)輪冷卻至室溫前和焊后熱處理前）。溫度應(yīng)調(diào)節(jié)至最小的170 ℃，并且在此溫度下保持時(shí)間最少為2 h。

焊材的存儲(chǔ)應(yīng)該根據(jù)焊材供應(yīng)商的操作指南，轉(zhuǎn)輪制造商也應(yīng)有相應(yīng)的焊材存儲(chǔ)和處理程序；在焊接期間，焊條須在特殊保存箱內(nèi)存放，保存箱內(nèi)的溫度應(yīng)保持在70 ℃。

當(dāng)對(duì)焊縫背部清根后的PT檢查，溫度不能低于室溫，并且在35 ℃左右；在此溫度下PT一次檢查限制在2個(gè)葉片，保持時(shí)間為10 min。

焊接完成后進(jìn)行UT檢查，UT 檢查在焊后超過48 h才能進(jìn)行，按ASME V標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收。如果對(duì)UT探傷結(jié)果有任何疑問，則需要進(jìn)行RT檢查做更進(jìn)一步的檢查，以判定缺陷的性質(zhì)。

轉(zhuǎn)輪在焊接完成后應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理消除殘余應(yīng)力，熱處理需滿足如下幾個(gè)條件：焊后熱處理溫度：（580 ±10）℃；保溫時(shí)間：按葉片厚度4 min/mm計(jì)算，但總的時(shí)間不得小于2 h；加熱速度：從300 ℃開始（最大初始溫度），最快50 ℃/h；冷卻速度：最快30 ℃/h降至200 ℃，然后自然冷卻。

焊后熱處理應(yīng)記錄溫度時(shí)間曲線，并須按指定項(xiàng)目的焊后熱處理工序操作。測(cè)溫須由熱電偶直接接觸轉(zhuǎn)輪，最少應(yīng)在轉(zhuǎn)輪最薄及最厚處放置2個(gè)熱電偶。

綜上所述，高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用分半式焊接結(jié)構(gòu)，以及采用優(yōu)良的鍛件材料，嚴(yán)密的焊接控制方法，將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的2條焊縫減少為1條焊縫，并且焊縫轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)輪葉片的低應(yīng)力區(qū)，避免轉(zhuǎn)輪葉片與上冠下環(huán)連接處出現(xiàn)裂紋，提高轉(zhuǎn)輪葉片抗疲勞能力，延長(zhǎng)機(jī)組的大修周期，增強(qiáng)機(jī)組的安全穩(wěn)定性。

6 結(jié) 語

本文介紹傳統(tǒng)高水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接結(jié)構(gòu)及其制造缺點(diǎn)。重點(diǎn)介紹分半式焊接轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)及其焊接制造方法，該結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)輪焊縫從高應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移至葉片中部位置低應(yīng)力區(qū)，并且葉片焊縫從傳統(tǒng)的2條減少為1條，減少焊接工作量的同時(shí)，降低轉(zhuǎn)輪焊縫產(chǎn)生裂紋的機(jī)率。目前該種結(jié)構(gòu)的上冠和下環(huán)在國(guó)外已能熟練加工，國(guó)內(nèi)受數(shù)控加工能力和經(jīng)驗(yàn)的限制，加工成本還比較高，未普及使用。相信隨著未來我國(guó)數(shù)控加工能力的發(fā)展，此種分半式焊接轉(zhuǎn)輪必將被國(guó)內(nèi)廠家和業(yè)主所采用，為提高我國(guó)高水頭水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行做出貢獻(xiàn)。