水電站金屬蝸殼安裝與焊接工藝

李鳳倫

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 概述

苗尾水電站蝸殼為金屬蝸殼，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。蝸殼材料選用可焊接性好的600 MPa級、材質(zhì)為B610CF的優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼制作，整套蝸殼分為進(jìn)口延伸段和本體兩部分，單節(jié)到貨，最大截面直徑Φ8 760 mm，由36節(jié)組成，板厚從28～55 mm共計(jì)26種規(guī)格，總重381.90 t。蝸殼安裝采用現(xiàn)場掛裝及焊接的工藝措施，待焊接探傷和防腐結(jié)束后，安裝附屬配件和管路，然后鋪設(shè)彈性墊層、澆筑混凝土。在蝸殼進(jìn)口延伸段第4節(jié)右上方設(shè)有一個(gè)DN600 mm的取水管，底部設(shè)有直徑Φ500 mm蝸殼檢修排水管，在本體段第14節(jié)的左下角設(shè)有1個(gè)蝸殼進(jìn)人門，在蝸殼本體及進(jìn)口延伸段共計(jì)設(shè)置了11個(gè)壓力測頭，作為機(jī)組運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測設(shè)備。

2 施工準(zhǔn)備

2.1 技術(shù)準(zhǔn)備

施工作業(yè)前，要求施工作業(yè)隊(duì)負(fù)責(zé)人、技術(shù)人員及班組成員必須認(rèn)真熟悉廠家圖紙、《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》GB/T8564-2003、技術(shù)部門編制并經(jīng)監(jiān)理部批復(fù)的施工技術(shù)措施、安全措施；并要求施工作業(yè)隊(duì)負(fù)責(zé)人、技術(shù)主管、施工技術(shù)員及生產(chǎn)骨干熟悉了解整個(gè)施工工藝程序和工藝質(zhì)量要求，在對設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范所述的安裝程序和方法完全理解后，由技術(shù)質(zhì)量部向所有施工人員進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)交底后，方可開始蝸殼的安裝工作。

2.2 蝸殼掛裝前清掃

蝸殼管節(jié)運(yùn)至尾水渠平臺處存放，掛裝前將坡口打磨除銹、清理干凈。

2.3 蝸殼掛裝測量控制點(diǎn)設(shè)置

根據(jù)蝸殼各節(jié)方位角度計(jì)算出測量點(diǎn)線圖，在機(jī)坑內(nèi)用全站儀放到地面上，打上永久標(biāo)記，作為蝸殼掛裝測量控制點(diǎn)。

2.4 蝸殼基礎(chǔ)板安裝

根據(jù)尾水以上基礎(chǔ)圖提供的安裝數(shù)據(jù)，利用全站儀配合水準(zhǔn)儀進(jìn)行蝸殼基礎(chǔ)板的安裝。

3 蝸殼安裝

根據(jù)廠家提供的《苗尾水輪機(jī)安裝說明書》和《苗尾水輪機(jī)蝸殼工地組焊工藝守則》，蝸殼共有4節(jié)湊合節(jié)，分別為與壓力鋼管相接的進(jìn)口第6節(jié)（配割余量位于壓力鋼管上）、蝸殼本體第3節(jié)、蝸殼本體第11節(jié)、蝸殼本體第20節(jié)（每節(jié)湊合節(jié)進(jìn)口都預(yù)留150 mm的配割余量待安裝時(shí)根據(jù)湊合段的實(shí)際尺寸切除）。與之相對應(yīng)的4節(jié)定位節(jié)分別為進(jìn)口段第1節(jié)、本體第7節(jié)、第15節(jié)、第29節(jié)。湊合節(jié)、定位節(jié)詳細(xì)位置見圖1。

3.1 蝸殼定位節(jié)掛裝

定位節(jié)掛裝程序：檢查座環(huán)及蝸殼節(jié)的開口尺寸→掛裝→調(diào)整→驗(yàn)收→支撐固定。

圖1 湊合節(jié)、定位節(jié)布置圖

定位節(jié)吊裝到位后，用千斤頂、拉緊器來調(diào)整其位置，用水平儀、鋼卷尺、線錘來檢測管口的方位、最遠(yuǎn)點(diǎn)半徑、垂直度、高程合格后，在定位節(jié)外緣用千斤頂支承，并用拉緊器固定，按工藝要求將其與過渡板點(diǎn)焊。

3.2 蝸殼其余管節(jié)掛裝

其他節(jié)掛裝程序：掛裝→調(diào)整→驗(yàn)收→支撐固定。

定位節(jié)掛裝定位合格后，按蝸殼掛裝順序依次掛裝其他蝸殼其余管節(jié)，同時(shí)按要求支撐、調(diào)整與定位節(jié)相鄰的管節(jié)及焊縫的錯(cuò)牙與間隙。合格后，點(diǎn)焊環(huán)縫，點(diǎn)焊適宜在背縫側(cè)，點(diǎn)焊時(shí)用烤槍預(yù)熱。

每個(gè)掛裝方向調(diào)整好2條以上環(huán)縫后開始焊接第1條環(huán)縫。采取邊掛邊焊接的方式依次安裝其他管節(jié)。

3.3 湊合節(jié)安裝

湊合節(jié)安裝程序：測量→配割→掛裝→預(yù)熱→焊接（先縱后環(huán)）。

其他管節(jié)安裝、焊接完成后，在蝸殼與座環(huán)過渡段焊接前，進(jìn)行湊合節(jié)瓦塊的安裝。湊合節(jié)瓦塊采取在現(xiàn)場進(jìn)行配割的方法，切割前需進(jìn)行預(yù)熱，湊合節(jié)吊裝前，測量相鄰管節(jié)的幾何尺寸及湊合節(jié)安裝位置的尺寸，確定切割位置及余量。

湊合節(jié)瓦塊先吊裝底部瓦塊、后掛裝頂部瓦塊。

根據(jù)所測量的尺寸將瓦塊調(diào)整到位，瓦塊盡量貼近蝸殼。按實(shí)際位置劃切割線，進(jìn)行切割。切割時(shí)，將瓦塊稍微墊高，避免割傷蝸殼。切割完畢后，將瓦塊調(diào)整到位，點(diǎn)焊瓦塊。瓦塊坡口用角磨機(jī)打磨出金屬光澤。

3.4 蝸殼與壓力鋼管湊合節(jié)安裝

蝸殼直管段掛裝時(shí)，校核壓力鋼管實(shí)際中心。以壓力鋼管實(shí)際中心和蝸殼定位節(jié)出口實(shí)際中心連線作為蝸殼與壓力鋼管湊合節(jié)安裝的中心控制線。按逆時(shí)針順序依次掛裝調(diào)整蝸殼延伸段。

4 蝸殼安裝質(zhì)量檢測

為保證蝸殼安裝質(zhì)量，制定明確安裝測量方法及控制操作程序，具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）蝸殼直管段中心與Y軸線的距離±17.5 mm（±0.002 D）。

（2）蝸殼直管段中心高程F偏差±4 mm。

（3）蝸殼最遠(yuǎn)點(diǎn)高程F偏差±10 mm。

（4）蝸殼最遠(yuǎn)點(diǎn)半徑Ra偏差±10 mm或0.003 r（r蝸殼各斷面半徑值，蝸殼最遠(yuǎn)點(diǎn)到機(jī)組中心線的距離，當(dāng)0.003 r大于±10 mm時(shí)按±10 mm控制，當(dāng)0.003 r小于±10 mm時(shí)，按0.003 r控制）。

（5）蝸殼斷面中心到機(jī)組中心的距離Rc偏差±8 mm。

（6）定位節(jié)管口與基準(zhǔn)線允許偏差±4 mm。

（7）定位節(jié)管口傾斜值小于±4 mm。

（8）各節(jié)間蝸殼與座環(huán)連接的對接焊縫間隙一般為0～3 mm，過流面錯(cuò)牙不應(yīng)超過板厚的10%，縱縫錯(cuò)牙不大于2 mm；環(huán)縫錯(cuò)牙不大于3 mm。

（9）坡口對接焊縫長度10%的范圍內(nèi)允許有長度不大于4 mm的局部間隙。

根據(jù)測量隊(duì)、測量監(jiān)理及建設(shè)部測量中心提供并校核合格的基準(zhǔn)點(diǎn)和放樣點(diǎn)，調(diào)整蝸殼定位節(jié)（定位節(jié)與基準(zhǔn)線偏差、定位節(jié)管口傾斜度、最遠(yuǎn)點(diǎn)高程、最遠(yuǎn)點(diǎn)半徑）。

定位管節(jié)就位后，質(zhì)量檢驗(yàn)按照圖2進(jìn)行掛線和使用水準(zhǔn)儀測量，其余管節(jié)各控制尺寸經(jīng)鋼卷尺、水準(zhǔn)儀檢測滿足要求后進(jìn)行加固。蝸殼掛裝尺寸檢查示意如圖2所示。

5 蝸殼焊接

5.1 蝸殼定位焊

蝸殼安裝定位焊必須采用與正式焊接相同的焊接工藝、焊接規(guī)范以及安排經(jīng)考試合格并取得相應(yīng)焊接資質(zhì)的焊工進(jìn)行焊接。在焊縫上每隔300～500 mm定位焊一段，每段定位焊長度約為50～80 mm。用目視檢查定位焊焊縫，若有任何缺陷，如裂紋、氣孔等必須在焊接正式焊縫前采用打磨的方法徹底去除。

圖2 蝸殼掛裝尺寸控制示意圖

5.2 蝸殼環(huán)向焊縫焊接

蝸殼安裝環(huán)向焊縫安排8～10名焊工對稱、同時(shí)進(jìn)行環(huán)向焊縫的焊接，焊接順序見圖3所示。焊接材料為CHE62CFLH焊條。正式焊接時(shí)，采用多層多道、對稱、分段退步焊接。焊前預(yù)熱溫度為100～120℃。當(dāng)預(yù)熱溫度達(dá)到要求后，用φ3.2 mm的電焊條先從大坡口一側(cè)進(jìn)行打底焊接，打底焊分3層總厚度不超過10 mm，焊接完成后用φ4.0 mm的電焊條進(jìn)行填充焊接，焊至坡口深度的2/3后（此厚度可以根據(jù)蝸殼實(shí)際板厚進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但厚不能超過坡口深度的2/3），進(jìn)行背縫碳刨清根并進(jìn)行MT檢測合格后，再用φ3.2 mm的電焊條對背縫進(jìn)行打底焊接，打底焊分3層總厚度不超過10 mm；完成后用φ4.0 mm的電焊條進(jìn)行填充，焊接至坡口深度的2/3后，對正縫、背縫進(jìn)行交替焊接直至焊接完成。

圖3 蝸殼安裝環(huán)向焊縫焊接順序示意圖（1、2、3、4為退焊方向）

5.3 蝸殼本體段湊合節(jié)焊縫焊接

蝸殼焊接順序：縱縫→第1條環(huán)縫→第1條環(huán)縫（焊接過程中詳細(xì)焊接方法按照蝸殼環(huán)縫焊接執(zhí)行）。

5.4 蝸殼過渡板焊縫焊接

蝸殼本體所有環(huán)縫（包括湊合節(jié)），進(jìn)口延伸段環(huán)縫（除與壓力鋼管湊合節(jié)焊縫）及蝸殼進(jìn)口段與大舌板焊縫焊接完成后，焊接蝸殼與過渡板的焊縫，焊接順序見圖4所示。焊接時(shí)安排16名焊工上、下同時(shí)、對稱、分段、退步焊接，焊接時(shí)應(yīng)保持焊接速度一致。

圖4 蝸殼與過渡板焊縫焊接順序示意圖

焊接上過渡板時(shí)，先焊內(nèi)側(cè)過流面，焊至坡口深度1/2時(shí)，從外部清根，MT合格后，再進(jìn)行背縫焊接（焊接時(shí)分打底焊及焊縫填充過程），背縫焊接至坡口深度的2/3時(shí)，進(jìn)行交替焊接直至焊完。

焊接下過渡板時(shí)，先焊外側(cè)非過流面，焊至坡口深度1/2時(shí)，從內(nèi)部清根，MT合格后，再進(jìn)行過流面焊接（焊接時(shí)分打底焊及焊縫填充過程），過流面焊接至坡口深度的2/3時(shí)，進(jìn)行交替焊接直至焊完。

過渡板焊接過程中時(shí)刻測量座環(huán)水平、圓度的變化情況以便調(diào)整焊接順序，從而保證座環(huán)水平符合要求。

5.5 蝸殼與壓力鋼管湊合節(jié)安裝焊接

蝸殼上下過渡板焊接完成后，按照本體段湊合節(jié)的安裝方法配割蝸殼與壓力鋼管湊合節(jié)。并現(xiàn)場切割蝸殼與壓力鋼管環(huán)縫坡口。坡口型式為X型，鈍邊2 mm。

封閉縫焊接前溫度應(yīng)預(yù)熱到100～120℃。焊接均分12個(gè)區(qū)域，每一區(qū)域內(nèi)又分6段由12名焊工均勻、對稱、分段、采取多層多道的焊接方式。

蝸殼與壓力鋼管焊接時(shí)全部采用CHE62CFL Φ3.2的電焊條焊接。焊接不間斷，分3班進(jìn)行，一次連續(xù)焊接完成。

焊接過程中除打底3層和蓋面不進(jìn)行錘擊消應(yīng)外，其余各層焊接完成后安排專人用小型風(fēng)鎬進(jìn)行錘擊消應(yīng)，每一層消應(yīng)時(shí)間不低于2 h，參與消應(yīng)人數(shù)不少于4人。

5.6 蝸殼安裝焊縫的后熱處理

蝸殼焊接層間溫度、后熱溫度，以及后熱升溫速度和降溫速度均按廠家技術(shù)要求進(jìn)行。層間溫度不應(yīng)低于預(yù)熱溫度且不高于230℃。

高強(qiáng)鋼蝸殼環(huán)縫焊接應(yīng)連續(xù)焊完并按廠家技術(shù)要求進(jìn)行后熱消氫處理，蝸殼在焊接完成后按照廠家技術(shù)要求立即升溫至后熱溫度并保溫到所要求的時(shí)間后，再緩慢降溫來進(jìn)行消氫處理。如圖5所示。

圖5 蝸殼焊縫預(yù)熱、層間保溫及后熱消氫處理示意圖

6 蝸殼安裝焊縫的質(zhì)量檢查及消缺

6.1 焊縫外觀質(zhì)量檢查

蝸殼安裝焊縫的外觀質(zhì)量應(yīng)符合廠家技術(shù)要求，同時(shí)應(yīng)符合DL/T5070-2012《水輪機(jī)金屬蝸殼現(xiàn)場制造安裝及焊接工藝導(dǎo)則》中的如下規(guī)定：

（1）焊縫表面不允許出現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣；

（2）咬邊：咬邊深度不大于1 mm，且連續(xù)長度不應(yīng)大于100 mm，兩側(cè)咬邊累計(jì)長度不應(yīng)大于焊縫全長的10%；

（3）焊縫余高：0～3 mm（過流面焊縫表面的余高及打磨質(zhì)量嚴(yán)格執(zhí)行廠家要求）；

（4）焊縫寬度：蓋過坡口每邊2～3 mm，并平緩過渡；

（5）氣孔：一類、二類焊縫不允許。

6.2 焊縫無損檢測

蝸殼安裝縱縫及蝸殼與座環(huán)連接焊縫進(jìn)行100% TOFD檢查探傷，在不可能用射線檢查的部位，進(jìn)行100%超聲波探傷檢查；對所有的環(huán)焊縫進(jìn)行100%超聲波探傷，有懷疑的地方用TOFD復(fù)查。所有的蝸殼內(nèi)表面的焊縫均按要求進(jìn)行打磨，打磨到不凸出表面1.5 mm的高度并平滑過渡，對所有焊縫打磨平整后進(jìn)行100%MT表面探傷。

實(shí)際安裝施工中，蝸殼安裝焊縫無損探傷采用的方法及檢測質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按廠家技術(shù)要求進(jìn)行，各項(xiàng)無損檢測符合優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.3 缺陷返修

同一部位焊縫缺陷返修次數(shù)一般不應(yīng)超過2次，特殊情況下超過2次以上的焊縫返修處理應(yīng)報(bào)經(jīng)施工現(xiàn)場監(jiān)理工程師批準(zhǔn)，并做好記錄，詳細(xì)記錄焊縫的編號、缺陷的位置、長度、性質(zhì)等，并分析缺陷產(chǎn)生的原因及返修處理結(jié)果。

6.4 拉板拆除

去除各種拉板及附件時(shí)不應(yīng)使用錘擊的方法，應(yīng)用碳弧氣刨切割（或用氧-乙炔火焰切割），并留出約3～5 mm的余量后用手動砂輪機(jī)打磨平滑，并做著色滲透探傷無損檢測。

7 結(jié)語

水電站在蝸殼安裝過程中對軸線放樣及定位節(jié)等安裝均采用了全站儀進(jìn)行放樣和檢測，消除了以往拉鋼琴線用鋼卷尺測量帶來的人為測量誤差。同時(shí)在蝸殼安裝期間為保證對座環(huán)產(chǎn)生的變形，利用水準(zhǔn)儀配合螺旋測微儀對座環(huán)進(jìn)行定期復(fù)測。因此蝸殼掛裝的組裝間隙控制在了0～2 mm范圍內(nèi)，優(yōu)于圖紙技術(shù)要求0～3 mm，為焊接質(zhì)量提供了保證，達(dá)到了蝸殼安裝質(zhì)量優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)1號機(jī)組蝸殼安裝還被業(yè)主單位評為樣本工程。