可逆式机组座环气蚀焊接工艺

刘 聪，杨绍爱

（国网新源控股湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 罗田 438600）

0 引言

某抽水蓄能电站单台机组容量300 MW，水轮机型号：HLN-LJ-550，额定功率：306.1 MW，设计水头：195 m，额定转速：250 r/min，机组座环由上环板、下环板和固定导叶构成，其高度为794 mm，内径7 050 mm，外径8 719.5 mm，固定导叶高度794 mm，宽度1 273 mm。2016年机组检修发现：固定导叶进、出水边有少量蜂窝状锈蚀情况，固定导叶侧面及座环上下环板出现较大面积的防腐涂料剥落、金属锈蚀现象。

国内处理固定导叶主要有手工电弧焊堆焊及陶瓷金属Belzona1311处理方法。其中陶瓷金属目前国内应用较少，其长远效果还有待进一步论证；堆焊方法在活动导叶气蚀处理方面应用广泛，并且通过长期观察，效果较好[1]，故选择堆焊方法处理固定导叶气蚀。

1 气蚀原因分析及处理原则

固定导叶产生气蚀原因，是由于在流动的液体中，当某区域的压力因某种原因而突然下降至液体温度相应的汽化压力以下时，部分液体汽化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的空泡。空泡随液流进入压力较高的区域时,失去存在的条件而突然溃灭,原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。液流中不断形成、长大的空泡在固体导叶附近频频溃灭，叶面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材料的疲劳破损甚至表面剥蚀。

由此可见，要减轻气蚀破坏，必须防止流场中的压力降至相应温度下的汽化压力。目前，常规机组通过大量建模仿真计算以及模型试验对转轮、固定导叶、活动导叶进行了分析，不断完善过流特性，取得了较好的效果，但对于抽水蓄能机组，由于抽水和发电不同工况下，转轮旋转方向相反，在固定导叶发电工况出水边容易产生翼型气蚀，如能在该部位采取加压措施，或者增加机组埋深，以消除过高的负压，在理论上对于预防气蚀有作用。另外，由于气蚀造成的破坏主要是物理原因引起的，故在气蚀易发生部位采用高强度高硬度耐腐蚀材料，也可降低气蚀的破坏。

2 钢材焊接特性

固定导叶材质为S500QEN10137-2(欧洲标准)，需要对该材质的冷裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂焊接特性进行分析。材质化学成分见表1：

表1 S500Q EN10137-2化学成分（质量分数不大于）/%

2.1 冷裂纹

冷裂纹产生的原因和钢材的淬硬倾向、扩散氢含量及焊接时的拘束度有关。淬硬倾向可以通过计算钢材的碳当量来确认，而扩散氢含量可以通过选用低氢焊条以及焊后消氢处理来降低，拘束度可通过对称焊接，减少焊接支撑等方式来降低。碳当量Ceq计算公式如下：

计算得到固定导叶和过渡段碳当量为1.11%。当碳当量大于0.45%时，淬硬明显，焊接性能较差，由此得出：固定导叶钢材材质容易在焊接过程有淬硬倾向，易产生冷裂纹。

2.2 热裂纹

热裂纹由于焊缝中杂质和拉应力的存在以及焊缝终端部位温度的变化产生的，可通过热裂纹敏感系数HCS来进行判断：

计算得到HCS为1.02，当HCS＜4时，无热裂纹倾向，故S500Q不会产生热裂纹。

2.3 再热裂纹

焊后焊件在一定温度范围内再次加热而产生的裂纹为再热裂纹。其影响可用下列公式表示：

当Psr≤0时，无再热裂纹倾向，计算得到Psr为-0.034，故S500Q再次加热不会产生裂纹。

2.4 层状撕裂

层状撕裂影响因素主要有两个：一是非金属夹杂物：夹杂物的分布、数量、形态和种类是造成层状撕裂的主要因素，其中硫化物危害最大；二是Z向拘束应力。

S500Q EN10137-2硫含量为0.01%，硫含量极低，并且固定导叶在承受拉应力，选用抗层状撕裂钢板，故不会产生层状撕裂。

由上述分析可知，固定导叶焊接时易产生冷裂纹，由于冷裂纹产生的原因主要为钢种的淬硬倾向、扩散氢的含量以及焊接拘束度，因此，需要制定详细的焊接方案，选择合适的焊条，减少淬硬组织，降低焊接过程中的焊接应力及多余氢气，保证焊接质量。

3 处理步骤及工艺

3.1 焊接顺序

固定导叶周边：从固定导叶进/出水边分别向两侧面对称进行焊接，如图1、图2所示：箭头代表焊接方向。

图1 固定导叶进出水边焊接顺序

座环圆周方向焊接顺序：圆周方向均布两人对称焊接。两名焊工必须采用相同的焊接速度，相同的焊接电流，对称施焊。

图2 圆周方向焊接

3.2 焊接步骤

1）焊前首先清理固定导叶出水边及其两侧表面需焊接范围内的水分、铁锈、油污等污物。

2）对打磨部位进行无损检测，如有缺陷进行如下处理：用角磨或电弧气刨将裂纹清除干净并开U型坡口，再次对坡口表面进行无损检测，确认裂纹已完全清除，再按正式焊接工艺进行补焊。对于无缺陷或点坑的打磨部位，待全部补焊工作结束后，进行防腐处理。

3）焊条在使用前应按照说明书进行烘焙，并在温度降至150℃时转入100～150℃烘箱内保存，焊工领用焊条应使用焊条保温筒，领取的焊条未用完应及时退回，时间超过4 h以上，应再次烘烤。累计的烘烤次数一般不宜超过2次。

4）焊前预热和层间温度：焊前应进行预热。应预热至100℃，除了小区域的修补可采用火焰预热外，必须使用履带式加热板进行预热并使温度从焊接开始到消氢开始时保证不低于预热温度。预热范围应至少覆盖从坡口边缘起100 mm和或板厚的3倍，取两者的较小值。测温点应设在加热的背面。层间温度不超过230℃。

5）使用低氢J607RH焊条对气蚀凹槽部位进行第一次堆焊。焊接过程中应力消除措施:对于现场焊缝，在每一道焊缝焊后必须立即锤击消除应力，打底的3层焊缝不得锤击。为了避免锤击产生裂纹，锤击用的榔头头部必须是圆的，其圆弧半径不小于5 mm，锤击部位必须在焊道的中间，不得锤击焊趾部位，锤击应沿着焊缝方向进行，直到焊缝表面出现均匀麻点为止。减少淬硬组织措施：采用窄道焊进行焊接，要求焊缝摆动宽度不超过4倍焊条直径；控制焊接电流不大于130 A，减少焊接热输入量，要求最大热输入量不超过38 kJ/cm。

6）座环气蚀点第二次堆焊。注意控制道间温度在230℃以下。

7）座环气蚀点第三次补焊。

8）焊接完成后且温度未低于100℃前立即进行200～250℃热处理，且保温4 h[2]，之后采用石棉被保温缓冷至环境温度，加速焊接接头中氢的扩散逸出，防止出现冷裂纹缺陷。

9）座环气蚀检修整体打磨。一方面打磨焊缝表面及焊疤、割除连接块、骑马块后遗留疤痕，另一方面焊后将固定导叶打磨成修型样板的流线。打磨完成后进行探伤。

10）表面清扫。

11）处理完毕后测量活动导叶立面间隙及固定导叶上下环板高度，若间隙合格并且固定导叶上下环板高度最大值与最小值相差1 mm以内，则说明气蚀处理后座环变形较小。

12）对全部打磨部位进行清理并且干燥处理后，使用红色环氧底漆4508先刷第一道底漆，底漆厚度50 μm，再使用环氧煤焦油面漆1513作为面漆。面漆总厚度300 μm。涂装后的保护层应做到表面光滑，颜色一致，无皱纹、气泡、流挂、漏涂等缺陷。

4 结语

座环的作用一方面在于承受蜗壳、顶盖重量，另一方面在于将沿着蜗壳形成的水流流线安置，当座环固定导叶发生气蚀后，不仅影响其支撑强度，而且破坏水流流线，降低发电效率。本文分析了S500Q EN10137-2钢材焊接特性，并详细介绍了座环固定导叶气蚀处理的方法及工艺，对同类型抽水蓄能电站座环气蚀处理具有一定参考意义。

[1]王焕栋.新安江水电站水轮机空蚀处理经验[J].水利水电技术,1978(3):45-47.

[2]赵瑞辉.钢管桩用Q500C材料焊接工艺[J].船舶与海洋工程,2015(6):31-33.