不銹鋼轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接變形原因分析及預(yù)防措施

楊應(yīng)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(jī)4 臺軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，單機(jī)容量120 MW，水輪機(jī)型號為ZZD345E-LH-850，額定水頭24.5 m，額定轉(zhuǎn)速76.9 r/min。機(jī)組轉(zhuǎn)輪室為0Cr18Ni9Ti 不銹鋼分瓣結(jié)構(gòu)，過流面采用不銹鋼板模壓成型，轉(zhuǎn)輪室加工處理后的設(shè)計(jì)厚度為35~50 mm。

2023 年4 月開展3 號機(jī)組C 級檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)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(xiàn)象，上部裂紋呈線性，長約1.55 m，錯牙約1.0 mm，高度距轉(zhuǎn)輪室底部約0.86 m。下部裂紋呈波浪狀，長約1.9 m，距轉(zhuǎn)輪室底部0.55 mm，裂紋錯牙約2.0 mm。

機(jī)組狀態(tài)為C 級檢修，檢修空間和時(shí)間上均受限較大，因此，轉(zhuǎn)輪室裂紋采用時(shí)效性較強(qiáng)的現(xiàn)地焊縫修補(bǔ)處理，經(jīng)焊接處理后，轉(zhuǎn)輪室焊接部位及焊縫上球形圓發(fā)生較大變形，最大變形量達(dá)到10 mm。

1 研究方向

焊接后進(jìn)行盤車檢查轉(zhuǎn)輪室間隙，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室焊縫上下區(qū)域400 mm 內(nèi)變形較大，最大達(dá)到10 mm 以上。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和處理過程控制措施，分析焊接后產(chǎn)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(jù)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(zhuǎn)輪室在焊接過程中的注意事項(xiàng)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(zhuǎn)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(diǎn)位置，并鉆止裂孔，止裂孔孔徑Φ12 mm。動作槳葉，測量槳葉與轉(zhuǎn)輪室間隙，作為焊后轉(zhuǎn)輪室是否變形的參考依據(jù)。

2.2 焊接坡口

坡口為單邊“Y”型，實(shí)際操作中先利用碳弧棒清根至底部，然后利用鋼磨機(jī)進(jìn)行打磨，直至完全露出金屬顏色，且無氣刨時(shí)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(qū)域及四周50 mm 范圍內(nèi)的油污、水分等雜質(zhì)清理干凈。

（2）因轉(zhuǎn)輪室環(huán)境濕度大，轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接修復(fù)需進(jìn)行加熱處理，加熱選用火焰加熱，焊接前預(yù)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(shí)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(nèi)，嚴(yán)禁裸手抓取焊條。

2.4 焊接工藝

（1）轉(zhuǎn)輪室兩條長焊縫采用SMAW 焊接法，其焊接工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 手工電弧焊焊接工藝規(guī)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(jìn)行多層窄道焊，除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層應(yīng)用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以釋放焊接應(yīng)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(yùn)條幅度不大于焊芯直徑的3 倍，其余位置焊條焊接不應(yīng)橫向擺動，采用硬規(guī)范焊接，即走直線快速焊接。

（4）焊接中著重采用“直線運(yùn)條焊”原則、“大”電流快速焊（即采用硬規(guī)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(zhuǎn)輪室向心尺寸變化，焊接后采用盤車方式檢查轉(zhuǎn)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(jìn)行槳葉動作試驗(yàn)并盤車檢查，與修前試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)焊接部位及焊縫上方球形圓區(qū)域發(fā)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(dá)到10 mm 以上，轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙基本為零。

圖1 轉(zhuǎn)輪室焊接部位及焊后變形區(qū)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(chǎn)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(zhuǎn)輪室材質(zhì)為0Cr18Ni9Ti，屬于奧氏體不銹鋼，為超低碳級不銹鋼，耐腐蝕性較強(qiáng)，但是其較高的熱膨脹系數(shù)及較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，會使在焊接過程中產(chǎn)生收縮變形及殘余應(yīng)力變形[1]。

轉(zhuǎn)輪室在焊接過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測，其轉(zhuǎn)輪室直徑方向，向中心位置偏移2~4 mm, 修前轉(zhuǎn)輪室測量間隙為9.5~14 mm，轉(zhuǎn)輪室設(shè)計(jì)間隙為5.5~8.5 mm。因此，焊接中變形是受控狀態(tài)。焊接后，對焊縫鏟磨處理后，進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室間隙基本為零，變形量達(dá)到10 mm以上，已經(jīng)不滿足設(shè)計(jì)間隙。根據(jù)測量數(shù)據(jù)及變形情況分析，此處變形主要是因?yàn)闄M向收縮變形及殘余應(yīng)力變形引起轉(zhuǎn)輪室球形圓面直徑變小產(chǎn)生的。產(chǎn)生此現(xiàn)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(jì)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(jì)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(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算橫向收縮量為6.25 mm。

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

（3）焊接變形預(yù)防措施考慮不周造成變形無控制發(fā)展。在進(jìn)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(jìn)行控制，造成收縮變形及殘余應(yīng)力變形在球形面區(qū)域發(fā)展迅速，且變量增大。

4 焊接變形預(yù)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(chǎn)生應(yīng)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(zhì)焊接。

4.2 錘擊法消除層間應(yīng)力

本次焊接過程中采用風(fēng)鏟敲擊進(jìn)行應(yīng)力消除，但是，由于要求工期緊張，風(fēng)鏟與焊接同步開展，沒有專門預(yù)留風(fēng)鏟消除應(yīng)力時(shí)間。應(yīng)安排專人，每段每層焊接后，進(jìn)行應(yīng)力風(fēng)鏟消除應(yīng)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(yīng)力后，在焊縫形成時(shí)，必定還存在較大的殘余應(yīng)力未消除。為了減小奧氏體不銹鋼在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間,防止晶體腐蝕，一般焊后不再進(jìn)行后熱消應(yīng)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(yīng)力帶來的變形仍然很大。因此，應(yīng)采用剛性固定法防止變形，讓應(yīng)力在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)慢慢釋放，具體措施如下：

（1）焊前應(yīng)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(jìn)行灌漿，水泥選用特細(xì)硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級大于42.5R，水灰比為0.8、0.6（或0.5）兩個(gè)比級。灌漿后應(yīng)有至少5 d 等待期，然后再采用無溶劑環(huán)氧灌漿材料進(jìn)行二次灌漿，確保所有空腔全部密實(shí)。

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

采用上述措施后，轉(zhuǎn)輪室外側(cè)由混凝土貼死，內(nèi)側(cè)由加強(qiáng)板固定死，完全箍死在一個(gè)范圍內(nèi)，其伸縮變形及殘余應(yīng)力變形的薄弱點(diǎn)已不再此位置，應(yīng)力將會在運(yùn)行過程中，很長一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行釋放，由于應(yīng)力釋放緩慢，同時(shí)轉(zhuǎn)輪室外壁與混凝土貼死，不會產(chǎn)出大的變形現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 加強(qiáng)板設(shè)置示意圖

5 結(jié)語

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