陳　歡，占梁梁（中國長江三峽集團(tuán)公司，四川 成都 610072）

巨型水輪發(fā)電機(jī)組蝸殼焊接的一種新方法

陳歡，占梁梁
（中國長江三峽集團(tuán)公司，四川 成都 610072）

摘要：針對大型水電站巨型機(jī)組金屬蝸殼傳統(tǒng)焊接工藝存在的問題，探索蝸殼焊接新工序。通過在溪洛渡水電站右岸電站蝸殼焊接試驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了一種蝸殼焊接新方法，優(yōu)化了焊接工序，改善了工作環(huán)境和保證了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定，同時將傳統(tǒng)工藝與新工藝的蝸殼焊縫進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)力試驗(yàn)對比，說明了新方法在質(zhì)量上是可靠的。

關(guān)鍵詞：新方法；水輪發(fā)電機(jī)組；蝸殼焊接

1　概述

溪洛渡水電站是目前中國第二大水電站，電站總裝機(jī)容量為13 860MW，共裝有18臺單機(jī)容量77萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組。電站運(yùn)行水頭為154.6m 至229.4m。水輪機(jī)蝸殼是引水管路中重要的承壓部件，蝸殼焊接質(zhì)量影響著機(jī)組安裝質(zhì)量。溪洛渡水電站蝸殼材質(zhì)為B610CF和ADB610D，板厚為29mm 至90mm，管節(jié)28至35節(jié)，拼裝難度高，焊接填充量大，同時由于蝸殼焊接過程中需預(yù)熱到120℃，傳統(tǒng)的焊接工藝要求先焊環(huán)縫再焊縱縫，縱縫焊接時，蝸殼已經(jīng)形成了一個封閉腔，內(nèi)部空氣流動差、溫度高，焊工中暑現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致焊接質(zhì)量也難以控制。這便引起了地下廠房巨型機(jī)組施工過程中的一個安全、環(huán)保和質(zhì)量矛盾。

2　ADB610D新的焊接工序-兩環(huán)一蝶

為了改善工作條件，確保焊工身體健康，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定，溪洛渡水電站嘗試采用新的焊接工序，經(jīng)過多次試驗(yàn)和論證，提出了“兩環(huán)一蝶”的焊接順序。即在焊接完成相鄰的兩條環(huán)縫后，開始焊接環(huán)縫之間的蝸殼與座環(huán)之間的縱縫，并將此縱縫向左右側(cè)各延伸10 cm。具體操作如下：

（1）普通節(jié)焊接順序

普通管節(jié)焊接過程如圖1所示。定位節(jié)調(diào)整驗(yàn)收合格后，先依次進(jìn)行標(biāo)記為①的環(huán)縫焊接，定位節(jié)兩側(cè)的環(huán)縫焊接完成后，進(jìn)行標(biāo)記為②的焊縫焊接。焊縫②焊接完成后焊接標(biāo)記為③的焊縫，其他管節(jié)以此類推。在焊接蝸殼與座環(huán)之間的蝶形邊時，應(yīng)將焊縫向兩側(cè)各延伸10 cm或預(yù)留10 cm，以避免在丁字接頭處形成“應(yīng)力集中區(qū)”。

（2）湊合節(jié)焊接順序

湊合節(jié)焊接過程如圖2所示。湊合節(jié)調(diào)整驗(yàn)收合格后，先焊接標(biāo)記為①的湊合節(jié)縱縫，再焊接標(biāo)記為②的湊合節(jié)與蝶形邊的焊縫，最后進(jìn)行標(biāo)記為③和④的湊合節(jié)環(huán)縫焊接（先焊出水邊環(huán)縫，再焊進(jìn)水邊環(huán)縫）。焊接湊合節(jié)兩側(cè)的普通節(jié)蝶形邊時應(yīng)注意在接頭處留出10 cm不焊，以避免在環(huán)縫與蝶形邊焊縫的丁字接頭處形成“應(yīng)力集中區(qū)”。

圖1　普通管節(jié)焊接順序圖

圖2　湊合節(jié)焊接順序

3　應(yīng)力測試及結(jié)果分析

為了了解新工藝對焊縫應(yīng)力的影響，現(xiàn)場采用兩臺不同焊接工藝的蝸殼進(jìn)行對比分析。1號機(jī)蝸殼及座環(huán)材質(zhì)均為B610CF鋼，焊接順序?yàn)閭鹘y(tǒng)的蝸殼焊接順序。18號機(jī)蝸殼材料為ADB610D鋼，座環(huán)材質(zhì)為S550Q鋼，焊接順序?yàn)楸疚乃龅摹皟森h(huán)一蝶”的焊接順序。兩臺蝸殼的焊接材料相同，采用手工電弧焊焊接。

3.1測試方法

蝸殼與座環(huán)的蝶形邊焊縫應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)裂紋。試驗(yàn)中，每臺蝸殼選擇14條蝶形邊焊縫進(jìn)行測試，測點(diǎn)布置在蝸殼的外壁，接近上下過渡板的部位（見圖3、圖4）。

（1）測試方法：壓痕法。

（2）測試設(shè)備：KJS－3型應(yīng)力測試系統(tǒng)；應(yīng)變計型號：BA120-1BA（11）-ZKY。

（3）測試原理：壓痕法采用特定壓頭壓入材料表面，通過壓痕獲得附加應(yīng)力場，再根據(jù)附加應(yīng)力場誘導(dǎo)的位移場變化信息來獲得殘余應(yīng)力值。

圖3　0 1號機(jī)蝸殼殘余應(yīng)力測點(diǎn)位置分布

圖4　1 8號機(jī)蝸殼殘余應(yīng)力測點(diǎn)位置分布

3.2測試結(jié)果

為了便于對比，將相同或相近部位的測試數(shù)據(jù)做成折線圖，如圖5、圖6、圖7和圖8。

圖5　蝸殼上部蝶形邊焊縫殘余應(yīng)力對比

圖6　蝸殼下部蝶形邊焊縫殘余應(yīng)力對比

圖7　蝸殼上部約束應(yīng)力對比

圖8　蝸殼下部約束應(yīng)力對比

圖中：

X—平行于水流方向的應(yīng)力；

Y—垂直于水流方向的應(yīng)力；

+/-—拉應(yīng)力/壓應(yīng)力。

對殘余應(yīng)力分布拆線圖進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，18號機(jī)蝸殼蝶形邊與蝸殼對接接頭的殘余應(yīng)力普遍低于1號機(jī)。

就我們關(guān)心的約束應(yīng)力而言，可以近似地認(rèn)為，離焊縫熔合線50mm處的測點(diǎn)的殘余應(yīng)力代表了因焊縫冷卻收縮產(chǎn)生的拘束應(yīng)力，從約束應(yīng)力對比圖中也可以看出：18號機(jī)蝸殼約束應(yīng)力同樣普遍低于1號機(jī)。

4　結(jié)論

通過應(yīng)力測試可以發(fā)現(xiàn)，采用“兩環(huán)一蝶”工藝的蝸殼，其焊縫的殘余應(yīng)力等同或低于傳統(tǒng)工藝焊縫。同時，由于焊接過程極大的改善了地下電站大型機(jī)組施工環(huán)境，有助于工人身心健康，提高了勞動生產(chǎn)效率、促進(jìn)了焊接質(zhì)量提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]DL/T 5070-2009.水電水利工程水輪機(jī)金屬蝸殼制造安裝

及焊接工藝導(dǎo)則[S].

中圖分類號：TK730.3+12

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0061-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.017

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：陳歡（1986-），男，助理工程師，主要研究方向：大型水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)。