水轮机转轮补焊工艺实例探讨

陈兆毅（福建省泉州市山美水库管理处，福建 泉州 362000）

水轮机转轮补焊工艺实例探讨

陈兆毅
（福建省泉州市山美水库管理处，福建 泉州 362000）

摘要：结合福建山美水电站3号机组大修转轮补焊修复实例，探讨水轮机转轮汽蚀、开裂等缺陷的处理方法及工艺控制，总结水轮机转轮补焊中常见的问题及处理经验。

关键词：焊前处理；叶片裂纹补焊；叶片汽蚀补焊；焊后热处理；叶片翼型修复

1　山美水电站3号机转轮介绍

福建山美电站3号机组投产于1996年，发电机出力30MW，水轮机转轮型号为HL-A296,转轮直径315cm，叶片数14片，材质为铸钢。因为设计选型的关系，该转轮投产后汽蚀性能较差，经过近10年的运行，汽蚀情况非常严重，已于2008年技改更换成不锈钢转轮。本文着重介绍2006年3号机组技改前大修时转轮汽蚀情况及处理过程，为水轮机转轮几种类似典型的汽蚀情况提供处理心得及经验。

2　补焊前转轮情况

2.1转轮裂纹情况

转轮吊出后，对转轮叶片进行详细检查，发现有4片叶片在靠近上冠焊缝30～50mm处有裂纹，其中一片基本成通裂，其余3片都有约400～700mm的裂纹。

2.2转轮汽蚀情况

对转轮汽蚀情况进行检查，发现主要有2个部位存在汽蚀情况：1）叶片背面距上冠约200mm处有较明显麻点状汽蚀带，最深4mm，面积约0.04 m2；2）所有14片叶片在出水边靠近下环部位都有非常严重的汽蚀状况，汽蚀片显蜂窝状，最深处几近贯穿叶片，每片汽蚀面积在0.3m2左右，总面积达3.1 m2，这在水质较好的水电站中较为少见，如图1。

3　转轮修复处理

3.1叶片裂纹焊前处理

（1）钻止裂孔。在裂纹的末端钻止裂孔，钻孔直径为5～8mm，钻孔深度钻到孔内见不到裂纹为止（如图2）。

图1转轮汽蚀分布

（2）用碳弧气刨和角向砂轮机沿裂纹开出坡口，坡口要尽量窄小，但应大于焊条的直径。

（3）清理坡口，打磨渗碳层。

（4）对已成通裂的叶片，用同样的方法先在叶片正面开坡口，深度为叶片2/3厚度。待正面坡口补焊完成后，再在背面开叶片另1/3厚度的坡口（如图2）。

图2

3.2叶片汽蚀部分补焊前处理

对转轮叶片汽蚀区域，补焊前应进行彻底的铲削。

（1）对于汽蚀深度不超过2mm的区域可以直接用砂轮打磨；

（2）对于汽蚀坑深大于2mm的，应采用碳弧气刨的方法铲除破坏层，达到95%以上的面积露出基本金属。采用碳弧气刨应尽量使表面平整，再用砂轮磨去渗碳层露出金属光泽。

3.3补焊

（1）焊接工艺参数选择

①焊条直径选择：综合考虑焊件厚度、焊接层次、防止过热等因素，3号机组补焊的焊条直径选择φ3.2和φ4.0两种。

②焊接电流选择

根据焊条直径来选择：I1＝K.d＝40×3.2＝128A

I2＝K.d＝40×4.0＝160A

式中：I--焊接电流A；

d--焊条直径mm；

k--经验系数，取40。

③焊条型号选择

根据碳钢和不锈钢的金相组织结构，考虑焊条与母材结合情况，选择不锈钢焊条为CHS102;选择碳钢焊条为：E5015。使用时，焊条必须保存在密封良好的保温筒内。

（2）裂纹补焊

裂纹补焊使用φ3.2碳钢焊条。焊前用烤枪对焊部进行焊前预热，预热温度60℃。从焊接坡口底部逐层堆焊，每层厚度不超过3mm，控制焊接速度减少焊接热量过分集中。

①对气刨处理后深度小于10mm的区域，用E5015碳钢焊条进行堆焊，每层焊高不能大于4mm，根据气刨的实际深度来确定补焊层次。施焊时必须分片、分块进行堆焊，分块尺寸为200mm×200mm。同一叶片同一区域不能连续施焊，应采用对称跳步的方法，尽量减少焊接热量过分集中，减少叶片型线变形（如图3）。

图3

②对气刨处理后深度大于10mm的区域，用不锈钢板进行铺焊。根据气刨深度选取适当厚度的不锈钢板，钢板宽度30～50mm，长度为气刨区域长度。在钢板上每50mm钻一塞焊孔。钢板之间留8～10 mm的焊接缝。焊接时每焊一个塞焊孔，需用锤击敲打钢板，使钢板与叶片尽量贴合。焊接不锈钢板使用CHS102不锈钢焊条（如图4）。

图4

3.4叶片焊后的热处理

由于补焊面积较大，深度较深，叶片补焊后必须进行热处理，消除热应力，防止叶片变形。热处理采用电加热的办法，用履带式电阻加热片，每片功率3 kW，贴在焊缝处扎好固定，外面包上石棉布保温层，通电5～6h后，断电自然冷却（如图5）。

图5

3.5打磨抛光

用硬纸板制作叶片翼形样板，对补焊处进行修整打磨。可先采用气刨对比较明显的高点进行吹削，对焊接缺陷或缺肉处进行补焊。再用磨光机进行细磨，使补焊部位符合原来型线，表面无明显凹凸现象，堆焊区与原母材圆滑过渡。

3.6焊缝探伤

转轮补焊结束后，进行渗透探伤试验，检查叶片与上冠、下环焊接处及原裂纹补焊处有无新裂纹。

4　补焊后运行效果

3号机组转轮经过补焊修复处理后，机组投入试运行。在试运行时，测量机组各部振动情况及上导、下导、水导处摆度，发现比检修前有较好的改善。可见，此次大修的转轮大面积补焊，有效地修复了转轮因汽蚀、开裂造成的叶片翼形改变、水力性能变差等缺陷，取得较好的成果。

5　结语

3号机组水轮机HL-A296转轮在2006年大修后，又正常运行了两年，直到2008年技改时因重新设计选型，更换成不锈钢转轮，才退出运行。在2008年技改时吊出该转轮时发现，经过2006年大修补焊，转轮没有再出现明显裂纹。在汽蚀方面，由于在06补焊时主要汽蚀部位采用不锈钢板铺焊，有效地减轻了汽蚀对叶片的侵蚀，未再出现前次大修前严重的汽蚀状况，说明2006年大修时转轮的补焊处理是成功的。在此次大修中摸索总结出的这套水轮机转轮补焊及修复方法，是一个在实际操作中总结出来的宝贵经验，可作为类似水轮机转轮汽蚀修复工作的借鉴和参考。

参考文献：

[1]于兰阶．水轮发电机组安装与检修[M]．北京：中国水利水电出版社，1995．

[2]张洪流．焊工工艺学[M]．北京：中国劳动社会保障出版社，2005．

[3]郑源．水轮机[M]．北京：中国水利水电出版社，2011．

中图分类号：TK730.3+23

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0046-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.014

收稿日期：2014-11-18

作者简介：陈兆毅（1973-），男，工程师，从事水电站机组安装与检修工作。