水电站金属蜗壳安装与焊接工艺

李凤伦

（中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明650032）

1 概述

苗尾水电站蜗壳为金属蜗壳，采用钢板焊接结构。蜗壳材料选用可焊接性好的600 MPa级、材质为B610CF的优质高强度钢制作，整套蜗壳分为进口延伸段和本体两部分，单节到货，最大截面直径Φ8 760 mm，由36节组成，板厚从28～55 mm共计26种规格，总重381.90 t。蜗壳安装采用现场挂装及焊接的工艺措施，待焊接探伤和防腐结束后，安装附属配件和管路，然后铺设弹性垫层、浇筑混凝土。在蜗壳进口延伸段第4节右上方设有一个DN600 mm的取水管，底部设有直径Φ500 mm蜗壳检修排水管，在本体段第14节的左下角设有1个蜗壳进人门，在蜗壳本体及进口延伸段共计设置了11个压力测头，作为机组运行时的监测设备。

2 施工准备

2.1 技术准备

施工作业前，要求施工作业队负责人、技术人员及班组成员必须认真熟悉厂家图纸、《水轮发电机组安装技术规范》GB/T8564-2003、技术部门编制并经监理部批复的施工技术措施、安全措施；并要求施工作业队负责人、技术主管、施工技术员及生产骨干熟悉了解整个施工工艺程序和工艺质量要求，在对设计图纸和规范所述的安装程序和方法完全理解后，由技术质量部向所有施工人员进行详细的技术交底后，方可开始蜗壳的安装工作。

2.2 蜗壳挂装前清扫

蜗壳管节运至尾水渠平台处存放，挂装前将坡口打磨除锈、清理干净。

2.3 蜗壳挂装测量控制点设置

根据蜗壳各节方位角度计算出测量点线图，在机坑内用全站仪放到地面上，打上永久标记，作为蜗壳挂装测量控制点。

2.4 蜗壳基础板安装

根据尾水以上基础图提供的安装数据，利用全站仪配合水准仪进行蜗壳基础板的安装。

3 蜗壳安装

根据厂家提供的《苗尾水轮机安装说明书》和《苗尾水轮机蜗壳工地组焊工艺守则》，蜗壳共有4节凑合节，分别为与压力钢管相接的进口第6节（配割余量位于压力钢管上）、蜗壳本体第3节、蜗壳本体第11节、蜗壳本体第20节（每节凑合节进口都预留150 mm的配割余量待安装时根据凑合段的实际尺寸切除）。与之相对应的4节定位节分别为进口段第1节、本体第7节、第15节、第29节。凑合节、定位节详细位置见图1。

3.1 蜗壳定位节挂装

定位节挂装程序：检查座环及蜗壳节的开口尺寸→挂装→调整→验收→支撑固定。

图1 凑合节、定位节布置图

定位节吊装到位后，用千斤顶、拉紧器来调整其位置，用水平仪、钢卷尺、线锤来检测管口的方位、最远点半径、垂直度、高程合格后，在定位节外缘用千斤顶支承，并用拉紧器固定，按工艺要求将其与过渡板点焊。

3.2 蜗壳其余管节挂装

其他节挂装程序：挂装→调整→验收→支撑固定。

定位节挂装定位合格后，按蜗壳挂装顺序依次挂装其他蜗壳其余管节，同时按要求支撑、调整与定位节相邻的管节及焊缝的错牙与间隙。合格后，点焊环缝，点焊适宜在背缝侧，点焊时用烤枪预热。

每个挂装方向调整好2条以上环缝后开始焊接第1条环缝。采取边挂边焊接的方式依次安装其他管节。

3.3 凑合节安装

凑合节安装程序：测量→配割→挂装→预热→焊接（先纵后环）。

其他管节安装、焊接完成后，在蜗壳与座环过渡段焊接前，进行凑合节瓦块的安装。凑合节瓦块采取在现场进行配割的方法，切割前需进行预热，凑合节吊装前，测量相邻管节的几何尺寸及凑合节安装位置的尺寸，确定切割位置及余量。

凑合节瓦块先吊装底部瓦块、后挂装顶部瓦块。

根据所测量的尺寸将瓦块调整到位，瓦块尽量贴近蜗壳。按实际位置划切割线，进行切割。切割时，将瓦块稍微垫高，避免割伤蜗壳。切割完毕后，将瓦块调整到位，点焊瓦块。瓦块坡口用角磨机打磨出金属光泽。

3.4 蜗壳与压力钢管凑合节安装

蜗壳直管段挂装时，校核压力钢管实际中心。以压力钢管实际中心和蜗壳定位节出口实际中心连线作为蜗壳与压力钢管凑合节安装的中心控制线。按逆时针顺序依次挂装调整蜗壳延伸段。

4 蜗壳安装质量检测

为保证蜗壳安装质量，制定明确安装测量方法及控制操作程序，具体标准如下：

（1）蜗壳直管段中心与Y轴线的距离±17.5 mm（±0.002 D）。

（2）蜗壳直管段中心高程F偏差±4 mm。

（3）蜗壳最远点高程F偏差±10 mm。

（4）蜗壳最远点半径Ra偏差±10 mm或0.003 r（r蜗壳各断面半径值，蜗壳最远点到机组中心线的距离，当0.003 r大于±10 mm时按±10 mm控制，当0.003 r小于±10 mm时，按0.003 r控制）。

（5）蜗壳断面中心到机组中心的距离Rc偏差±8 mm。

（6）定位节管口与基准线允许偏差±4 mm。

（7）定位节管口倾斜值小于±4 mm。

（8）各节间蜗壳与座环连接的对接焊缝间隙一般为0～3 mm，过流面错牙不应超过板厚的10%，纵缝错牙不大于2 mm；环缝错牙不大于3 mm。

（9）坡口对接焊缝长度10%的范围内允许有长度不大于4 mm的局部间隙。

根据测量队、测量监理及建设部测量中心提供并校核合格的基准点和放样点，调整蜗壳定位节（定位节与基准线偏差、定位节管口倾斜度、最远点高程、最远点半径）。

定位管节就位后，质量检验按照图2进行挂线和使用水准仪测量，其余管节各控制尺寸经钢卷尺、水准仪检测满足要求后进行加固。蜗壳挂装尺寸检查示意如图2所示。

5 蜗壳焊接

5.1 蜗壳定位焊

蜗壳安装定位焊必须采用与正式焊接相同的焊接工艺、焊接规范以及安排经考试合格并取得相应焊接资质的焊工进行焊接。在焊缝上每隔300～500 mm定位焊一段，每段定位焊长度约为50～80 mm。用目视检查定位焊焊缝，若有任何缺陷，如裂纹、气孔等必须在焊接正式焊缝前采用打磨的方法彻底去除。

图2 蜗壳挂装尺寸控制示意图

5.2 蜗壳环向焊缝焊接

蜗壳安装环向焊缝安排8～10名焊工对称、同时进行环向焊缝的焊接，焊接顺序见图3所示。焊接材料为CHE62CFLH焊条。正式焊接时，采用多层多道、对称、分段退步焊接。焊前预热温度为100～120℃。当预热温度达到要求后，用φ3.2 mm的电焊条先从大坡口一侧进行打底焊接，打底焊分3层总厚度不超过10 mm，焊接完成后用φ4.0 mm的电焊条进行填充焊接，焊至坡口深度的2/3后（此厚度可以根据蜗壳实际板厚进行适当调整，但厚不能超过坡口深度的2/3），进行背缝碳刨清根并进行MT检测合格后，再用φ3.2 mm的电焊条对背缝进行打底焊接，打底焊分3层总厚度不超过10 mm；完成后用φ4.0 mm的电焊条进行填充，焊接至坡口深度的2/3后，对正缝、背缝进行交替焊接直至焊接完成。

图3 蜗壳安装环向焊缝焊接顺序示意图（1、2、3、4为退焊方向）

5.3 蜗壳本体段凑合节焊缝焊接

蜗壳焊接顺序：纵缝→第1条环缝→第1条环缝（焊接过程中详细焊接方法按照蜗壳环缝焊接执行）。

5.4 蜗壳过渡板焊缝焊接

蜗壳本体所有环缝（包括凑合节），进口延伸段环缝（除与压力钢管凑合节焊缝）及蜗壳进口段与大舌板焊缝焊接完成后，焊接蜗壳与过渡板的焊缝，焊接顺序见图4所示。焊接时安排16名焊工上、下同时、对称、分段、退步焊接，焊接时应保持焊接速度一致。

图4 蜗壳与过渡板焊缝焊接顺序示意图

焊接上过渡板时，先焊内侧过流面，焊至坡口深度1/2时，从外部清根，MT合格后，再进行背缝焊接（焊接时分打底焊及焊缝填充过程），背缝焊接至坡口深度的2/3时，进行交替焊接直至焊完。

焊接下过渡板时，先焊外侧非过流面，焊至坡口深度1/2时，从内部清根，MT合格后，再进行过流面焊接（焊接时分打底焊及焊缝填充过程），过流面焊接至坡口深度的2/3时，进行交替焊接直至焊完。

过渡板焊接过程中时刻测量座环水平、圆度的变化情况以便调整焊接顺序，从而保证座环水平符合要求。

5.5 蜗壳与压力钢管凑合节安装焊接

蜗壳上下过渡板焊接完成后，按照本体段凑合节的安装方法配割蜗壳与压力钢管凑合节。并现场切割蜗壳与压力钢管环缝坡口。坡口型式为X型，钝边2 mm。

封闭缝焊接前温度应预热到100～120℃。焊接均分12个区域，每一区域内又分6段由12名焊工均匀、对称、分段、采取多层多道的焊接方式。

蜗壳与压力钢管焊接时全部采用CHE62CFL Φ3.2的电焊条焊接。焊接不间断，分3班进行，一次连续焊接完成。

焊接过程中除打底3层和盖面不进行锤击消应外，其余各层焊接完成后安排专人用小型风镐进行锤击消应，每一层消应时间不低于2 h，参与消应人数不少于4人。

5.6 蜗壳安装焊缝的后热处理

蜗壳焊接层间温度、后热温度，以及后热升温速度和降温速度均按厂家技术要求进行。层间温度不应低于预热温度且不高于230℃。

高强钢蜗壳环缝焊接应连续焊完并按厂家技术要求进行后热消氢处理，蜗壳在焊接完成后按照厂家技术要求立即升温至后热温度并保温到所要求的时间后，再缓慢降温来进行消氢处理。如图5所示。

图5 蜗壳焊缝预热、层间保温及后热消氢处理示意图

6 蜗壳安装焊缝的质量检查及消缺

6.1 焊缝外观质量检查

蜗壳安装焊缝的外观质量应符合厂家技术要求，同时应符合DL/T5070-2012《水轮机金属蜗壳现场制造安装及焊接工艺导则》中的如下规定：

（1）焊缝表面不允许出现裂纹、气孔、夹渣；

（2）咬边：咬边深度不大于1 mm，且连续长度不应大于100 mm，两侧咬边累计长度不应大于焊缝全长的10%；

（3）焊缝余高：0～3 mm（过流面焊缝表面的余高及打磨质量严格执行厂家要求）；

（4）焊缝宽度：盖过坡口每边2～3 mm，并平缓过渡；

（5）气孔：一类、二类焊缝不允许。

6.2 焊缝无损检测

蜗壳安装纵缝及蜗壳与座环连接焊缝进行100% TOFD检查探伤，在不可能用射线检查的部位，进行100%超声波探伤检查；对所有的环焊缝进行100%超声波探伤，有怀疑的地方用TOFD复查。所有的蜗壳内表面的焊缝均按要求进行打磨，打磨到不凸出表面1.5 mm的高度并平滑过渡，对所有焊缝打磨平整后进行100%MT表面探伤。

实际安装施工中，蜗壳安装焊缝无损探伤采用的方法及检测质量标准严格按厂家技术要求进行，各项无损检测符合优良标准要求。

6.3 缺陷返修

同一部位焊缝缺陷返修次数一般不应超过2次，特殊情况下超过2次以上的焊缝返修处理应报经施工现场监理工程师批准，并做好记录，详细记录焊缝的编号、缺陷的位置、长度、性质等，并分析缺陷产生的原因及返修处理结果。

6.4 拉板拆除

去除各种拉板及附件时不应使用锤击的方法，应用碳弧气刨切割（或用氧-乙炔火焰切割），并留出约3～5 mm的余量后用手动砂轮机打磨平滑，并做着色渗透探伤无损检测。

7 结语

水电站在蜗壳安装过程中对轴线放样及定位节等安装均采用了全站仪进行放样和检测，消除了以往拉钢琴线用钢卷尺测量带来的人为测量误差。同时在蜗壳安装期间为保证对座环产生的变形，利用水准仪配合螺旋测微仪对座环进行定期复测。因此蜗壳挂装的组装间隙控制在了0～2 mm范围内，优于图纸技术要求0～3 mm，为焊接质量提供了保证，达到了蜗壳安装质量优良的标准，同时1号机组蜗壳安装还被业主单位评为样本工程。