巨型水轮发电机组蜗壳焊接的一种新方法

陈　欢，占梁梁（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610072）

巨型水轮发电机组蜗壳焊接的一种新方法

陈欢，占梁梁
（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610072）

摘要：针对大型水电站巨型机组金属蜗壳传统焊接工艺存在的问题，探索蜗壳焊接新工序。通过在溪洛渡水电站右岸电站蜗壳焊接试验基础上，提出了一种蜗壳焊接新方法，优化了焊接工序，改善了工作环境和保证了焊接质量的稳定，同时将传统工艺与新工艺的蜗壳焊缝进行现场应力试验对比，说明了新方法在质量上是可靠的。

关键词：新方法；水轮发电机组；蜗壳焊接

1　概述

溪洛渡水电站是目前中国第二大水电站，电站总装机容量为13 860MW，共装有18台单机容量77万kW的水轮发电机组。电站运行水头为154.6m 至229.4m。水轮机蜗壳是引水管路中重要的承压部件，蜗壳焊接质量影响着机组安装质量。溪洛渡水电站蜗壳材质为B610CF和ADB610D，板厚为29mm 至90mm，管节28至35节，拼装难度高，焊接填充量大，同时由于蜗壳焊接过程中需预热到120℃，传统的焊接工艺要求先焊环缝再焊纵缝，纵缝焊接时，蜗壳已经形成了一个封闭腔，内部空气流动差、温度高，焊工中暑现象时有发生，导致焊接质量也难以控制。这便引起了地下厂房巨型机组施工过程中的一个安全、环保和质量矛盾。

2　ADB610D新的焊接工序-两环一蝶

为了改善工作条件，确保焊工身体健康，保证焊接质量稳定，溪洛渡水电站尝试采用新的焊接工序，经过多次试验和论证，提出了“两环一蝶”的焊接顺序。即在焊接完成相邻的两条环缝后，开始焊接环缝之间的蜗壳与座环之间的纵缝，并将此纵缝向左右侧各延伸10 cm。具体操作如下：

（1）普通节焊接顺序

普通管节焊接过程如图1所示。定位节调整验收合格后，先依次进行标记为①的环缝焊接，定位节两侧的环缝焊接完成后，进行标记为②的焊缝焊接。焊缝②焊接完成后焊接标记为③的焊缝，其他管节以此类推。在焊接蜗壳与座环之间的蝶形边时，应将焊缝向两侧各延伸10 cm或预留10 cm，以避免在丁字接头处形成“应力集中区”。

（2）凑合节焊接顺序

凑合节焊接过程如图2所示。凑合节调整验收合格后，先焊接标记为①的凑合节纵缝，再焊接标记为②的凑合节与蝶形边的焊缝，最后进行标记为③和④的凑合节环缝焊接（先焊出水边环缝，再焊进水边环缝）。焊接凑合节两侧的普通节蝶形边时应注意在接头处留出10 cm不焊，以避免在环缝与蝶形边焊缝的丁字接头处形成“应力集中区”。

图1　普通管节焊接顺序图

图2　凑合节焊接顺序

3　应力测试及结果分析

为了了解新工艺对焊缝应力的影响，现场采用两台不同焊接工艺的蜗壳进行对比分析。1号机蜗壳及座环材质均为B610CF钢，焊接顺序为传统的蜗壳焊接顺序。18号机蜗壳材料为ADB610D钢，座环材质为S550Q钢，焊接顺序为本文所述的“两环一蝶”的焊接顺序。两台蜗壳的焊接材料相同，采用手工电弧焊焊接。

3.1测试方法

蜗壳与座环的蝶形边焊缝应力集中，容易出现裂纹。试验中，每台蜗壳选择14条蝶形边焊缝进行测试，测点布置在蜗壳的外壁，接近上下过渡板的部位（见图3、图4）。

（1）测试方法：压痕法。

（2）测试设备：KJS－3型应力测试系统；应变计型号：BA120-1BA（11）-ZKY。

（3）测试原理：压痕法采用特定压头压入材料表面，通过压痕获得附加应力场，再根据附加应力场诱导的位移场变化信息来获得残余应力值。

图3　0 1号机蜗壳残余应力测点位置分布

图4　1 8号机蜗壳残余应力测点位置分布

3.2测试结果

为了便于对比，将相同或相近部位的测试数据做成折线图，如图5、图6、图7和图8。

图5　蜗壳上部蝶形边焊缝残余应力对比

图6　蜗壳下部蝶形边焊缝残余应力对比

图7　蜗壳上部约束应力对比

图8　蜗壳下部约束应力对比

图中：

X—平行于水流方向的应力；

Y—垂直于水流方向的应力；

+/-—拉应力/压应力。

对残余应力分布拆线图进行观察，可以发现，18号机蜗壳蝶形边与蜗壳对接接头的残余应力普遍低于1号机。

就我们关心的约束应力而言，可以近似地认为，离焊缝熔合线50mm处的测点的残余应力代表了因焊缝冷却收缩产生的拘束应力，从约束应力对比图中也可以看出：18号机蜗壳约束应力同样普遍低于1号机。

4　结论

通过应力测试可以发现，采用“两环一蝶”工艺的蜗壳，其焊缝的残余应力等同或低于传统工艺焊缝。同时，由于焊接过程极大的改善了地下电站大型机组施工环境，有助于工人身心健康，提高了劳动生产效率、促进了焊接质量提升。

参考文献：

[1]DL/T 5070-2009.水电水利工程水轮机金属蜗壳制造安装

及焊接工艺导则[S].

中图分类号：TK730.3+12

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）02-0061-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.017

收稿日期：2014-09-19

作者简介：陈欢（1986-），男，助理工程师，主要研究方向：大型水轮发电机组安装技术。