工地现场大型转轮焊接

工地现场大型转轮焊接
转轮是水轮机组中最关键的部件之一制造难度大，制造精度要求高，转轮的制造质量直接关系到水轮机组的运行效率及运行寿命。

水轮机混流式转轮由三大件组成，即上冠、下环和叶片，叶片有13片的，15片的或更多片，叶片均布于上冠和下环之间。

混流式转轮通常为铸焊结构，上冠、下环和叶片为铸件，然后通过焊接手段组焊成整体转轮。

图为水轮机转轮结构简图。

某水电站共有 4台17.8万千瓦大型混流式水轮发电机组，其转轮公称直径7.0m，总高 4.37m，额定水头45m，重量150吨。

转轮全部采用马氏体不锈钢0Cr13Ni5Mo材料进行制造，且转轮需整体交货，由于运输方面的限制，因此转轮的制造只能采取工地现场焊接的制造方案。

现场制造转轮包括：部件的组装、焊接、焊接残余应力的消除、检验等过程。

一、技术难点
大型整体不锈钢转轮工地现场焊接的制造难度主要在于：
①整个转轮下环由四瓣组成，在厂内组圆精加工后分瓣发运至电厂，并在工地现场组焊成整圆，且焊后不再进行下环过流面的机械加工，但需保证下环的圆度公差在±5mm的范围内，以保证工地现场转轮叶片的装配需要。

如何控制焊接变形、保证下环组焊后的尺寸精度将是转轮工地现场焊接时需要解决的难题之一。

②焊接叶片与上冠、下环焊缝的难度是由于接头的几何形状复杂(T型接头),焊接后尺寸精度要求较高;叶片厚度较大（接近200mm）而且焊接质量要求高(特别是在叶片进水边和出水边处)，不锈钢转轮工地现场焊接时将采用与转轮母材
具有相同材质的马氏体不锈钢实芯焊丝—HS13/5L，该马氏体不锈钢焊丝的工艺性能较好，但有较大的冷裂倾向，因此对转轮焊接时的工艺要求较严格。

如何保证具有复杂几何形状的叶片与上冠、下环的大厚度截面的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工地现场焊接时需要解决的的最主要难题。

③由于采用了同材质马氏体不锈钢焊接材料，也就是说焊缝与转轮本体具有相同化学成分，焊缝与转轮母材具有相同的组织和性能，退火处理将获得较为理想的消除应力效果，现场退火装置、温控设备的选择及退火工艺方案的制定是亟需解决的难题之一。

二．采取的措施
经过缜密的分析、论证制订了既能保证转轮的制造质量要求，又可满足商定的交货时间的转轮现场焊接方案，具体如下：
1．四瓣下环的工地组焊
整个转轮下环由四瓣组成，在厂内组圆精加工后分瓣发运至工地，并在工地现场组焊成整圆，且焊后不再进行下环过流面的机械加工，但需保证下环的圆度公差在2mm的范围内，以保证工地现场转轮叶片的装配需要。

工地转轮下环的最大外径达φ7508mm，高度为4370mm，厚度仅为95mm，因此大尺寸、小刚度的下环工地现场组焊时，如何控制焊接变形、保证下环组焊后的尺寸精度将是转轮工地现场焊接时需要解决的难题之一。

四瓣转轮下环通过合缝处的把合块组合成圆，使得下环组圆后的尺寸偏差达到R(+3～+4mm)，圆度2mm之内。

同时为了控制焊接变形，四瓣下环的对接焊缝为非熔透的双面U型坡口，有效地减少了焊接量；而且四瓣下环合缝处的焊接由4名焊工在的对称位置同向、同速进行分段退步焊接。

下环对接坡口焊缝的焊接先使用H00Cr18Ni14Mo2 Φ1.2mm焊丝进行打底焊，打底焊的厚度为10mm，然后使用HS13/5L Φ1.2mm焊丝进行剩余坡口焊缝的焊接。

焊接过程铆工随时监控下环变形情况，并根据变形情况适当调整焊接顺序，并且施焊过程中采用逐层捶击焊道，达到消除焊缝中的焊接残余应力和减小焊接变形的目的。

采用上述工艺措施焊接完四瓣下环后，经对下环的几何尺寸进行检查，下环的径向尺寸偏差仅为R(+1～+3.5mm)，完全能够满足转轮叶片的装配质量要求。

2．转轮的装配
转轮的13个叶片的装配按照专门的计算机程序对叶片进行配重，以取得13个叶片的最佳排列顺序和最小的焊后不平衡重量。

转轮的装配采用倒装法，分别将转轮的上冠、下环放在条形支撑架上，调整好尺寸焊牢在支撑架上，然后按照顺序依次装配13个叶片，并将转轮进口高度控制在+3～+5mm之内，留有适当的焊接收缩量。

水平控制在±1.5mm内，上冠与下环的同轴度控制在2.0mm以内。

最后使用专门的检查工具对转轮叶片的进、出口角度和型线等关键尺寸进行检查，以确保转轮的装配质量。

3．转轮的焊接
①焊接方法
由于大型转轮工地现场焊接工作量大，选择熔化极气体保护焊，用95%Ar+5%CO2的混合气体保护。

并根据WPS（焊接工艺规范），作为焊工实际操作的指导文件。

熔化极气体保护焊的优点是焊丝熔覆效率高，焊道清理时间短，提高了生产效率，可有效缩短制造周期。

②焊前预热
由于HS13/5L焊丝是一种马氏体焊接材料，焊接过程中容易产生冷裂纹，特别是对于像叶片与上冠、下环的T型接头这样的大厚截面、大焊接量且刚性较大部件的焊接。

为了保证焊接质量并避免冷裂纹的产生，应尽量减少焊缝应力水平。

因此，转轮在焊接时进行预热和后热处理是最有效的手段之一。

工地大型整体不锈钢转轮工地现场焊接时，我们采用了一套可控硅调功控温预热装置，根据转轮各部件的不同厚度适当布置电加热器的数量和位置，并在加热过程中根据与电加热器相连的铠装热电偶的温度反馈信号，使用可控硅控温装置调整加热器的输出功率，使得整个转轮的焊接区的温度始终保持在100～120℃之间。

为了防止加热器破损漏电而带来的安全隐患，整个预热装置中又额外增加了漏电保护装置以确保用电的安全、可靠。

③焊接过程
A.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100mm外），每间隔大约500mm～600mm焊接130mm长焊缝，焊缝的厚度约（15～20）mm，焊接材料采用H00Cr18Ni14Mo2 Φ1.2mm焊丝。

B. 转轮叶片与上冠、下环T型接头坡口焊缝的焊接：由于焊接叶片与上冠、下环焊缝的难度是由于接头的几何形状复杂(T型接头),焊接后尺寸精度要求较高;叶片厚度较大（接近200mm）而且焊接质量要求高(特别是在叶片进水边和出水边处)焊接时要严格控制焊接顺序，转轮的焊接由13名焊工分两班在对称位置同时、同向、同速进行“多层、多道焊”，焊道宽度最大20mm，将坡口焊缝等份四段，每段退步爬焊，焊层厚度达到25 mm后再进入下一段退步焊，上冠正面焊到1/2深达到清根，焊接下环焊到1/2深；上冠反面清根，PT探伤后反面焊到
1/2后，开始正反面交替焊接，达到坡口2/3深,将下环焊到2/3,上下层焊道接头应错开50mm。

在焊接过程中保持转轮预热温度不低于100℃，在上冠下环交替焊接时，未焊接处（上冠或下环）温度可控制在50℃以上，以减小热输入量。

为了控制变形减小焊接应力，采用焊接角焊方法焊接；由于位置的限制，焊接时需经常变化焊枪角度，保证气体保护充分减少气孔；在焊接时还要时刻关注风向，注意“穿堂风”，防止气孔的产生。

在转轮翻身下环清根后，焊接叶片与下环T 型接头的坡口焊缝时，为防止风影响焊缝质量，应将下环周围用石棉布挡上焊接；为了减小热输入量，焊接时交替焊接叶片与上冠、下环的T型接头的坡口焊缝，直至将叶片坡口及根部加强圆角完成。

全部焊接完成后不要直接冷却到室温，要对转轮进行整体后热消氢处理后再冷却到室温，从而保证焊接质量。

焊接操作严格按焊接工艺规范（WPS）执行，并通过有效手段控制相关焊接参数在所规定的范围内，控制焊接热输入量，焊接过程中发现焊接缺陷及时处理，13名焊工相互兼顾，保证转轮13个叶片焊接热输入量达到均衡状态，使焊接接头性能符合设计指标的要求，从而保证转轮的焊接质量。

3．转轮的无损探伤
转轮焊缝的无损探伤将在不同的时段分4次进行，转轮焊接过程中的中间探伤：为了避免转轮坡口焊满后进行超声波探伤（UT）时发现较多的根部焊接缺陷，而使焊接返修的工作量加大，我们在叶片与上冠、下环的T型接头的背面清根时进行各一次PT探伤检查，合格后才能继续进行焊接，同时在焊到坡口2/3深时进行一次UT探伤，焊满叶片坡口及加强圆角（退火前）和转轮退火后的最终检查。

4．转轮的焊后消除应力热处理
对于具有厚截面的大型转轮,为避免因受热不均而产生的附加应力，在加热、冷却过程中保持转轮温度均匀上升或下降是至关重要的。

对于HS13/5L这种马氏体焊接材料而言，焊后进行580℃±15℃几个小时的热处理是非常必要的。

退火炉采用可拆的组合式退火炉，辐射式的间接加热方案，其最大优点是对转轮本体不会产生伤害，可靠性较高，转轮受热均匀，用可控硅调功控温法进行工件及炉体温度的实时调控，按照退火工艺守则对转轮进行热处理，完全满足了工艺的要求。

三、结论
经过事先的认真的论证和周密的技术准备、生产组织，焊接操作严格按焊接工艺规范（WPS）执行，并通过有效手段控制相关焊接参数在所规定的范围内，
控制焊接热输入量，焊接过程中发现焊接缺陷及时处理，改变传统转轮的焊接顺序，通过优化焊接顺序的过程控制，保证转轮叶片焊接热输入量达到均衡状态，有效的降低了焊缝的焊接残余应力，使焊接接头性能符合完全设计指标的要求，从而高质量保证了转轮的焊接质量。