枕頭壩水輪機(jī)尾水錐管焊縫開裂分析及處理

楊 俊

（國能大渡河枕頭壩發(fā)電有限公司，四川 樂山 614000）

1 枕頭壩水輪發(fā)電機(jī)組概述

枕頭壩電站裝設(shè)4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為180 MW，型號(hào)ZZ-LH-875，額定水頭29.5 m，最大水頭36.49 m，最小水頭17.98 m。電站以500 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用聯(lián)合單元接線，500 kV側(cè)采用四角形接線，出線兩回，一回線路輸送至深溪溝電站，另一回為備用線路。電站按“遠(yuǎn)方集控，無人值班（少人值守）”設(shè)計(jì)。

2 問題描述

2020 年03月10日4號(hào)機(jī)組B修過程中發(fā)現(xiàn)，尾水錐管（Q235B）與湊合S（04Cr13Ni5Mo）的焊接焊縫存在較多的開裂（開裂部位見圖1所示），計(jì) 6 處，其中最長2 m，最短0.8 m，開裂口最大10 mm，總計(jì)8.1 m。

對(duì)本條焊縫進(jìn)行了整體的超聲波 UT 探傷（見圖2所示），發(fā)現(xiàn)整條焊縫存在大量的缺陷，決定整條焊縫進(jìn)行處理。利用碳弧氣刨對(duì)焊縫進(jìn)行清理、解剖，發(fā)現(xiàn)母材與焊縫金屬邊界有大量的未熔合區(qū)且有混凝土滲入，焊縫流道表面熔敷金屬厚度最小處僅3 mm。

圖1 開裂部位

圖2 探傷圖

3 開裂缺陷原因分析

安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接管理分析：產(chǎn)品焊接的質(zhì)量保證貫穿于設(shè)計(jì)、制造的全過程，按照本單位的質(zhì)量保證體系對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面質(zhì)量控制。

3.1 焊接產(chǎn)品保證的一般原則

焊接產(chǎn)品保證的一般原則見表1所示。

3.2 對(duì)于產(chǎn)品缺陷6S（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)）分析

利用骨刺圖進(jìn)行分析見圖3所示。

圖3 骨刺圖

表1 產(chǎn)品保證的原則

3.3 焊接接頭分析

（1）上述接頭形式是按照設(shè)計(jì)要求設(shè)置湊合段設(shè)計(jì)的，見圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)焊接接頭結(jié)構(gòu)圖

（2）現(xiàn)場(chǎng)焊縫有3條（即①②③），②或③焊縫強(qiáng)度計(jì)算焊喉有效厚度為7 mm（焊腳高10 mm），與坡口深度14 mm相加，強(qiáng)度計(jì)算厚度為21 mm，大于t=16 mm 母材厚度。

（3）通過對(duì)母體的材料分析后（見表2），選擇焊接材料為奧氏體不銹鋼 。

表2 材料分析

奧氏體不銹鋼焊接材料的抗拉強(qiáng)度也大于母材Q235B，通過上述的分析：焊接接頭設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以滿足使用要求。

（4）可能產(chǎn)生缺欠的原因分析：

1）根據(jù)碳弧氣刨過程中有混凝土滲入現(xiàn)象可以認(rèn)為襯墊板（件33）未參與安裝，或②③焊縫有漏焊。

2）未熔合產(chǎn)生的原因主要是操作不當(dāng)造成的，例如：焊接電流與焊接速度不匹配、焊條與坡口角度不合適、焊條型號(hào)與工藝不符、工藝錯(cuò)誤等。

3）現(xiàn)場(chǎng)在此條焊縫安裝焊接時(shí)，質(zhì)量控制失控，出現(xiàn)大量的未熔合和漏焊進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)度嚴(yán)重不足，在機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生微弱的應(yīng)力及殘余應(yīng)力相互作用下開裂。該焊縫在安裝焊接后進(jìn)行過探傷和煤油滲漏檢查查證。

4 處理方案

焊接環(huán)境的要求：焊接環(huán)境出現(xiàn)下列情況時(shí)，應(yīng)采取有效的防護(hù)措施，如無防護(hù)措施應(yīng)立即停止焊接工作。風(fēng)速：SMAW>2 m/s，GMAW>8 m/s；相對(duì)濕度>90%；環(huán)境溫度低于 5℃。

4.1 處理工藝

焊接方法：采用熔化極CO2氣體保護(hù)焊 GMAW或手工焊條電弧焊 SMAW。

缺陷去除：

首先進(jìn)行 UT 檢查，確定并標(biāo)識(shí)缺陷位置、長度、深度。根據(jù) UT 探傷標(biāo)識(shí)采用碳弧氣刨去除，深度超過缺陷深度3 mm。 碳弧氣刨參數(shù)：碳棒直徑Φ10 mm，壓縮空氣壓力0.4~0.8 MPa，氣體流量0.8~1.7 m3/min，刨 削 速 度0.5~1.2 m/min，電 弧長度1~2 mm，電流350~500 A，碳棒與工件 傾角20°~45°。氣刨槽口要求從距離開裂終點(diǎn)30~50 mm向開裂方向刨，形狀適于2G焊接（上角約 35°，下角10°，兩端 20°，根部有R≥10 mm）。

要求分段刨削處理，每段長度≤1 000 mm，一段焊接完后再刨另外位置。 操作時(shí)應(yīng)先通風(fēng)后引弧，以防止在引弧時(shí)產(chǎn)生夾碳現(xiàn)象。引弧后，氣刨速度應(yīng)緩慢待金屬充分加熱熔化后，再以正常速度進(jìn)行氣刨。氣刨結(jié)束后應(yīng)先熄弧后關(guān)氣。 碳棒伸出長度80~100 mm，燒損30~40 mm 時(shí)，應(yīng)調(diào)整長度。工作量計(jì)算，碳弧氣刨：速度500~1 200 mm/min，每層刨削深度4~5 mm，寬度=碳棒直徑+2~4 mm； 焊接：SMAW-0.8 kg/h，GMAW-1.5 kg/h。焊條在烘箱中按300~350℃的烘干溫度 經(jīng)1~2 h烘干后放入焊條保溫筒（控溫100~150℃）內(nèi)保溫，隨用隨?。ㄈ绻嫦錀l件不具備，允許采用其他方法進(jìn)行烘烤以去除藥皮水分），焊條在保溫桶內(nèi)，在焊接現(xiàn)場(chǎng)要求通電保溫。其中注意事項(xiàng)如焊條受潮嚴(yán)重，可加長烘干時(shí)間或提高溫度至 350℃；保溫桶內(nèi)焊條量不超過一天的使用量，不得使用隔天的焊條;焊條烘干次數(shù)不得超過2次，藥皮無脫落或明顯的裂紋；其他的推薦方式可有木炭、微波爐、烤槍等對(duì)焊條烘干。

焊接：焊接極性采用直流反接DCEP（工件接負(fù)極，電極接正極），焊接的參數(shù)（見表3）；焊道寬度SMAW≤10 mm、GMAW≤15 mm，連續(xù)焊接焊道長度≤300 mm，必須采用薄焊道進(jìn)行焊接（≤6 mm），焊接時(shí)要根據(jù)要求的焊接厚度量適時(shí)調(diào)整焊接。

表3 焊接參數(shù)

GMAW：保護(hù)氣體 CO2，干長15~20 mm，氣體流量18~20 L/min。

SMAW：采用短弧焊接，電弧長度2~4 mm。

層/道間溫度≤150 ℃；每連續(xù)焊接不超過 3 道時(shí)，必須采用風(fēng)鏟錘擊消應(yīng)，但要求每層必須錘擊；錘擊部位，焊縫金屬和周邊（周邊為熔合區(qū)+粗晶區(qū)），重點(diǎn)錘擊壓道、起始焊道的搭接部位。第1層不錘擊，主要是冷作會(huì)損壞焊縫金屬，產(chǎn)生根部裂紋；最后 1 層也不錘擊，以免影響焊縫的表面質(zhì)量；錘擊應(yīng)保持均勻、適度，扁錘頭圓角1.0~1.5 mm，錘擊深度0.5~1.0 mm，風(fēng)壓0.4~0.8 MPa；圓錘頭最佳尺寸S=Φ 8 mm；錘擊時(shí)機(jī)為焊道在 100~150 ℃時(shí)。

控制焊道成形系數(shù)=寬度/厚度=1.3~2.0，以防止熱裂紋； 焊補(bǔ)前，烤槍去除水分后馬上補(bǔ)焊，充分利用其烘干溫度，尤其在S135側(cè)；嚴(yán)禁在補(bǔ)焊區(qū)域外的區(qū)域引弧和息弧，起弧要回弧填滿弧坑，收弧時(shí)要求采用緩慢停頓收弧或回弧以填滿弧坑防止產(chǎn)生弧坑裂紋；對(duì)于面域狀缺欠采用跳/段焊接方式處理，連續(xù)焊接焊道長度不得超過300 mm，超過時(shí)采用分段退焊法焊接；焊接后隨型打磨和拋光，焊縫余高0~1.5 mm；焊道間嚴(yán)格清理，尤其是焊道側(cè)面的形狀不良可能會(huì)道間缺陷，必須修磨處理；焊前將坡口內(nèi)打磨漏出金屬光澤。打磨后 PT 檢查無裂紋。

4.2 檢查

點(diǎn)狀缺欠隨型修磨；焊完后24 h，PT 檢查焊縫表面，焊縫和HAZ表面不得有裂紋、氣孔等缺陷；如有條件可進(jìn)行UT檢查，檢查有效深度13 mm。

過程質(zhì)量控制要點(diǎn) ：

（1）嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書的各項(xiàng)要求執(zhí)行；

（2）缺欠打磨去除后PT檢查，確認(rèn)無裂紋；

（3）嚴(yán)格進(jìn)行道間清理防止壓道缺陷；

（4）道間風(fēng)鏟振動(dòng)消應(yīng)力必須徹底和及時(shí)；

（5）認(rèn)真對(duì)待弧坑裂紋的嚴(yán)重性和預(yù)防措施；

（6）烤槍進(jìn)行水分的去除；

（7）嚴(yán)格進(jìn)行焊條水分的去除工作；

（8）缺欠修復(fù)的斷、跳方式嚴(yán)格執(zhí)行，以防止應(yīng)力過大；

（9）短焊道焊接以減小焊接應(yīng)力；

（10）嚴(yán)格隨型修磨和測(cè)量，型線和波浪度按較小值；

（11）合理的PT探傷時(shí)機(jī)，以便有效地發(fā)現(xiàn)延遲裂紋。

5 結(jié)語

結(jié)合多方面的原因分析尾水錐管與湊合S段的焊接焊縫存在焊縫開裂現(xiàn)象，存在較復(fù)雜的原因，在后續(xù)檢修期重點(diǎn)關(guān)注。2021年4號(hào)機(jī)組檢修全面進(jìn)行UT（采用橫波和縱波聯(lián)合）檢查，機(jī)組有效熔覆金屬深度達(dá)到13 mm。