龙开口水电站机组转轮现场组焊质量控制

李世栋

(四川二滩建设咨询有限公司，四川成都 610051)

1 概述

龙开口水电站位于云南省鹤庆县的金沙江中游，电站为坝后式地面厂房，额定水头67 m，额定转速83.3 r/min，装机容量为5×3 600 MW。水轮机转轮最大直径为8 600 mm，总高度4 702 mm，总重量245 t。龙开口水电站的水轮机由哈尔滨电机厂有限责任公司供货。

转轮的叶片提前在厂内完成了精加工;上冠为整体结构，除联轴法兰和上止漏环外圆进行了粗加工外，其余部位已进行了精加工;下环除下止漏环外圆进行了粗加工外，其余部位已进行了精加工且分解成3瓣。转轮的所有散件运至现场后组焊成整体、探伤、退火、焊缝与叶片表面的铲磨、整体转轮上、下止漏环的机加工及静平衡后的配重。通过对转轮的结构进行分析，哈电制定了一整套转轮现场组焊与机加工的施工措施，该措施获得现场监造工程师的批准并在监造工程师的全过程监控下实施。

2 转轮的现场装配方法

(1)采用倒装一次装配法(即上冠在下、下环在上)确定转轮的装配高度(预先考虑焊接收缩量3～5 mm)。装配中调整上冠与下环的进口高度及同轴度。设计进口高度标准为2 428 mm，实测最大为2 433 mm，上冠与下环的同轴度的设计值为±1 mm，而实测控制值为0.5 mm。

(2)对组装后的形位尺寸进行复测。设置质量控制点。按 X－X和Y－Y轴线及下环、上冠分别做出投影并打出标记，测量四点的投影不重和数据值，监测并调整转轮下环与上冠的同心度。测量四点的投影不重合程度的弦长，调整转轮下环与上冠的扭转程度。转轮在焊接过程中由于收缩会引起上冠与下环的相对扭转，通过合理的焊接顺序与适当的焊接速度等措施对减少扭转变形量有良好的效果，从而保证了整体转轮的形位误差和尺寸精度。

(3)整体装配控制。叶片装配过程中，先将13个叶片按照事先称重和电子配重结果，以取得13个叶片的最佳排序和最小的焊后不平衡重量，叶片按编号装配、分组对称均布装配(保证转轮装配的位置精确)，叶片的四个顶点分别与上冠、下环的进、出水边的等分点重合，出口截距及进口截距符合设计要求。叶片分组装配可有效防止颠覆，水平基准变化会影响转轮的装配精度，这一点在整个转轮装配工序中显得尤为重要。

3 转轮的现场焊接

(1)转轮焊接质量的控制是整个转轮制造的核心，焊接质量的好坏直接影响转轮的使用效率和寿命。①由于转轮上冠、下环和叶片均为马氏体不绣钢材质(0Gr13Ni4Mo)，其焊接材料采用马氏体不锈钢焊丝(HS13/5L)与之相匹配，因其碳当量相对较高，故焊接性能较差，具有一定冷裂倾向，因此，转轮的焊接过程控制尤为重要;②转轮具有复杂的几何形状，叶片与上冠、下环的组合缝处存在薄厚不均的情况。在焊接过程中，如何减少变形和内应力产生，避免焊缝冷裂纹的产生是转轮在现场焊接时需要控制和解决的主要问题。

(2)焊缝母材的预热。马氏体100℃ ±10℃，温度每上升20℃测温一次，转轮各个焊接位置的温度差别≤50℃，将焊接的层间温度必须控制在175℃内，从而有效的减缓了焊缝熔合金属的过高或过低，防止了淬硬组织的形成，避免了冷裂缝的产生，保证了焊缝质量。

(3)主要焊接工序。

叶片的定位焊:叶片与上冠、下环之间焊缝的中间段(除进出口两端各100 mm外)每间隔大约500～600 mm焊接150 mm长焊缝，焊缝厚度约为15～20 mm。

转轮叶片与上冠、下环、T型接头坡口焊缝焊接:焊接分两个部分，即打底焊和坡口正式焊接。打底焊使用HOOCr18iI4Mo2φ1.2焊丝，打底焊厚度为20 mm，预热温度应不小于80℃。正式焊接使用 HS13/5Lφ1.2 焊丝。

转轮的焊接由一名焊工焊一片叶片，在对称位置同时、同向、同速、多层、多道焊进行焊接，焊道宽度最大为20 mm，从坡口长度的中间向叶片的进、出水边等份四段，每段退步焊接，当焊层厚度达到25 mm后再进入下一段退步焊。

叶片与上冠正面坡口焊至60 mm深后在叶片背面清根、打磨、PT探伤。探伤合格后焊接叶片背面坡口至50 mm厚。

叶片与下环背面坡口焊至60 mm厚后按图纸要求进行无损探伤，合格后在叶片与下环坡口焊缝正面进行清根、打磨、PT探伤合格后焊接叶片正面坡口焊缝至60 mm。

对转轮焊接的坡口焊缝进行中间过程UT探伤，合格后将叶片与下环正面焊满，焊接过渡和圆弧R。翻身焊满叶片与上冠正面、背面，叶片与下环背面，UT探伤合格后，焊接过渡和圆弧R，为后续组装转轮积累可靠的经验。

(4)转轮焊后的热处理及其他工序。

转轮焊后，立即在现场进行整体退火以消除残余应力。转轮的退火采用电热温控法。由于转轮部件薄厚不均，加热时要尽量使各部件受热均匀且温升一致，工艺上采取人工手动方法调节炉内温度，要求工件之间的温差≤70℃。转轮内部的残余应力较高是导致转轮产生疲劳裂纹的一个重要诱因，故转轮焊接后必须进行消除应力的热处理。在升温和降温过程中，保持炉内温度均匀上升或下降至关重要。为防止焊后转轮放置时间过长，将15 d的粗磨工序由退火前调整到退火后进行，焊后立即进行退火处理，将应力释放。

4 转轮加工及静平衡试验

转轮加工利用哈电提供的自制设备——小立车进行上冠上下平面、内圆的加工，此处的关键在于上平面的加工，图纸要求平度≤0.04 mm/m，方能满足接下来的镗孔、车上下止漏环和静平衡的要求，以及大轴和转轮把合后的同轴度;加工所用设备均为哈电自制设备，其关键在小立车加工上冠的上平面和内圆精度必须在公差范围内，以它为基础自制了镗模连接板和大立车齿轮连接板，只有这样加工出来的孔和上下止漏环才能保证合格。

转轮静平衡通过利用哈电自制的高压油顶起球膜平衡设备，用高压油将转轮顶起，然后确定转轮偏重位置。转轮的灵敏度和残余不平衡力矩是转轮制造的两个重要参数。水轮机组在运行中的震动大小和使用寿命与其有直接关系。工艺允许残余不平衡力矩≤900 NM。而灵敏度为在转轮任何位置挂1 kg重物时该处转轮下降0.56～0.74 mm。

5 转轮现场制造时采取的主要质量控制措施

(1)针对直径8 m左右的转轮叶片，焊后上冠和下环出水边易产生裂纹。哈电高层组织焊接专家和有经验的科技人员对龙开口水电站机组转轮的机械设计、水力设计、结构设计等进行优化设计，同时对转轮强度和动态特性进行分析计算。经过论证和潜心研究后，决定在1#和2#机转轮上冠和下环出水边加400 mm长的三角块。3#至5#机叶片进一步优化改型处理。

(2)转轮在焊接过程中焊缝易产生裂纹和大量气孔，直接影响转轮的焊接质量，这个问题一直困扰着发电制造厂家。马氏体不锈钢焊丝HS13/5Lφ1.2的焊接性较差，具有一定的冷裂倾向，因此，在转轮焊接时工艺的要求较严格。如何保证具有复杂几何形状的叶片与上冠、下环的大厚度截面焊接质量以及焊接过程中如何减少变形和焊后残余应力并避免裂纹的产生将是转轮在工地现场焊接时需要解决的最主要难题。经过科技人员和焊接师傅的细心观察和精心研究后提出:在焊接过程中采取四控制和四必须措施。四控制为:控制好加热温度和层间温度;控制好电流大小和焊缝摆宽;控制好焊接速度;控制好外购气体的纯度。四必须为:清根和层间必须清理干净;焊接过程必须按区域进行;电气弧刨机使用前必须将空压机中的水放净;焊接前必须用防火布将转轮围严，防止串堂风。从而保证了焊接质量，使焊接总体质量合格率达到100%。

(3)转轮内部的残余应力是导致裂纹产生的一个重要诱因。为防止焊后转轮放置时间过长，将15 d的粗磨工序由退火前调整到退火后进行，焊后立即进行退火处理，将应力释放。

(4)转轮焊接、转轮热处理、转轮铲磨、转轮加工和静平衡等质量对机组运行的稳定性和使用寿命有很大的影响。如何保证它们的内在质量，提高转轮现场制造水平是我们追求的目标。在转轮制造过程中，坚决贯彻哈电“精细过程，精品结果”这一哈电理念，并在1#机转轮制造过程中得到了认真的贯彻，收到了很好的效果。热处理工序是转轮制造的关键工序，退火设备是影响热处理的主要因素。经过仔细观察和认真分析，我们发现分包商提供的退火设备存在严重的质量问题。第一:退火炉布置了288片加热片，共 计2 880 kW，功率严重不足。第二:加热片用的连接线是电阻比较高且易断裂的不锈钢钢棍。第三:退火过程时间长，所用功率大，电缆线容易发热。针对上述问题，我们与分包商经过协商得到了很好解决，避免了转轮在退火过程中的质量事故。

6 结语

龙开口水电站转轮组焊始终如一地贯彻了“精品过程、精品结果”的理念。在焊接过程中，严格对焊接电流和电压、焊接摆幅的宽度及厚度进行控制，遏制了不按焊接工艺大纲操作的习惯性违章，确保了转轮焊接顺利的进行。在焊接过程中，坚决贯彻“四控制”、“四必须”，从而有效的解决了马氏体在焊接中的难题。从目前实施的措施看已收到了良好的效果，转轮焊接变形得到了有效的控制。