枕头坝水轮机尾水锥管焊缝开裂分析及处理

杨 俊

（国能大渡河枕头坝发电有限公司，四川 乐山 614000）

1 枕头坝水轮发电机组概述

枕头坝电站装设4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量为180 MW，型号ZZ-LH-875，额定水头29.5 m，最大水头36.49 m，最小水头17.98 m。电站以500 kV电压等级接入电力系统。发电机电压侧采用联合单元接线，500 kV侧采用四角形接线，出线两回，一回线路输送至深溪沟电站，另一回为备用线路。电站按“远方集控，无人值班（少人值守）”设计。

2 问题描述

2020 年03月10日4号机组B修过程中发现，尾水锥管（Q235B）与凑合S（04Cr13Ni5Mo）的焊接焊缝存在较多的开裂（开裂部位见图1所示），计 6 处，其中最长2 m，最短0.8 m，开裂口最大10 mm，总计8.1 m。

对本条焊缝进行了整体的超声波 UT 探伤（见图2所示），发现整条焊缝存在大量的缺陷，决定整条焊缝进行处理。利用碳弧气刨对焊缝进行清理、解剖，发现母材与焊缝金属边界有大量的未熔合区且有混凝土渗入，焊缝流道表面熔敷金属厚度最小处仅3 mm。

图1 开裂部位

图2 探伤图

3 开裂缺陷原因分析

安装现场焊接管理分析：产品焊接的质量保证贯穿于设计、制造的全过程，按照本单位的质量保证体系对产品进行全面质量控制。

3.1 焊接产品保证的一般原则

焊接产品保证的一般原则见表1所示。

3.2 对于产品缺陷6S（人、机、料、法、环、测）分析

利用骨刺图进行分析见图3所示。

图3 骨刺图

表1 产品保证的原则

3.3 焊接接头分析

（1）上述接头形式是按照设计要求设置凑合段设计的，见图4所示。

图4 现场焊接接头结构图

（2）现场焊缝有3条（即①②③），②或③焊缝强度计算焊喉有效厚度为7 mm（焊脚高10 mm），与坡口深度14 mm相加，强度计算厚度为21 mm，大于t=16 mm 母材厚度。

（3）通过对母体的材料分析后（见表2），选择焊接材料为奥氏体不锈钢 。

表2 材料分析

奥氏体不锈钢焊接材料的抗拉强度也大于母材Q235B，通过上述的分析：焊接接头设计强度可以满足使用要求。

（4）可能产生缺欠的原因分析：

1）根据碳弧气刨过程中有混凝土渗入现象可以认为衬垫板（件33）未参与安装，或②③焊缝有漏焊。

2）未熔合产生的原因主要是操作不当造成的，例如：焊接电流与焊接速度不匹配、焊条与坡口角度不合适、焊条型号与工艺不符、工艺错误等。

3）现场在此条焊缝安装焊接时，质量控制失控，出现大量的未熔合和漏焊进而导致强度严重不足，在机组运行产生微弱的应力及残余应力相互作用下开裂。该焊缝在安装焊接后进行过探伤和煤油渗漏检查查证。

4 处理方案

焊接环境的要求：焊接环境出现下列情况时，应采取有效的防护措施，如无防护措施应立即停止焊接工作。风速：SMAW>2 m/s，GMAW>8 m/s；相对湿度>90%；环境温度低于 5℃。

4.1 处理工艺

焊接方法：采用熔化极CO2气体保护焊 GMAW或手工焊条电弧焊 SMAW。

缺陷去除：

首先进行 UT 检查，确定并标识缺陷位置、长度、深度。根据 UT 探伤标识采用碳弧气刨去除，深度超过缺陷深度3 mm。 碳弧气刨参数：碳棒直径Φ10 mm，压缩空气压力0.4~0.8 MPa，气体流量0.8~1.7 m3/min，刨 削 速 度0.5~1.2 m/min，电 弧长度1~2 mm，电流350~500 A，碳棒与工件 倾角20°~45°。气刨槽口要求从距离开裂终点30~50 mm向开裂方向刨，形状适于2G焊接（上角约 35°，下角10°，两端 20°，根部有R≥10 mm）。

要求分段刨削处理，每段长度≤1 000 mm，一段焊接完后再刨另外位置。 操作时应先通风后引弧，以防止在引弧时产生夹碳现象。引弧后，气刨速度应缓慢待金属充分加热熔化后，再以正常速度进行气刨。气刨结束后应先熄弧后关气。 碳棒伸出长度80~100 mm，烧损30~40 mm 时，应调整长度。工作量计算，碳弧气刨：速度500~1 200 mm/min，每层刨削深度4~5 mm，宽度=碳棒直径+2~4 mm； 焊接：SMAW-0.8 kg/h，GMAW-1.5 kg/h。焊条在烘箱中按300~350℃的烘干温度 经1~2 h烘干后放入焊条保温筒（控温100~150℃）内保温，随用随取（如果烘箱条件不具备，允许采用其他方法进行烘烤以去除药皮水分），焊条在保温桶内，在焊接现场要求通电保温。其中注意事项如焊条受潮严重，可加长烘干时间或提高温度至 350℃；保温桶内焊条量不超过一天的使用量，不得使用隔天的焊条;焊条烘干次数不得超过2次，药皮无脱落或明显的裂纹；其他的推荐方式可有木炭、微波炉、烤枪等对焊条烘干。

焊接：焊接极性采用直流反接DCEP（工件接负极，电极接正极），焊接的参数（见表3）；焊道宽度SMAW≤10 mm、GMAW≤15 mm，连续焊接焊道长度≤300 mm，必须采用薄焊道进行焊接（≤6 mm），焊接时要根据要求的焊接厚度量适时调整焊接。

表3 焊接参数

GMAW：保护气体 CO2，干长15~20 mm，气体流量18~20 L/min。

SMAW：采用短弧焊接，电弧长度2~4 mm。

层/道间温度≤150 ℃；每连续焊接不超过 3 道时，必须采用风铲锤击消应，但要求每层必须锤击；锤击部位，焊缝金属和周边（周边为熔合区+粗晶区），重点锤击压道、起始焊道的搭接部位。第1层不锤击，主要是冷作会损坏焊缝金属，产生根部裂纹；最后 1 层也不锤击，以免影响焊缝的表面质量；锤击应保持均匀、适度，扁锤头圆角1.0~1.5 mm，锤击深度0.5~1.0 mm，风压0.4~0.8 MPa；圆锤头最佳尺寸S=Φ 8 mm；锤击时机为焊道在 100~150 ℃时。

控制焊道成形系数=宽度/厚度=1.3~2.0，以防止热裂纹； 焊补前，烤枪去除水分后马上补焊，充分利用其烘干温度，尤其在S135侧；严禁在补焊区域外的区域引弧和息弧，起弧要回弧填满弧坑，收弧时要求采用缓慢停顿收弧或回弧以填满弧坑防止产生弧坑裂纹；对于面域状缺欠采用跳/段焊接方式处理，连续焊接焊道长度不得超过300 mm，超过时采用分段退焊法焊接；焊接后随型打磨和抛光，焊缝余高0~1.5 mm；焊道间严格清理，尤其是焊道侧面的形状不良可能会道间缺陷，必须修磨处理；焊前将坡口内打磨漏出金属光泽。打磨后 PT 检查无裂纹。

4.2 检查

点状缺欠随型修磨；焊完后24 h，PT 检查焊缝表面，焊缝和HAZ表面不得有裂纹、气孔等缺陷；如有条件可进行UT检查，检查有效深度13 mm。

过程质量控制要点 ：

（1）严格按照作业指导书的各项要求执行；

（2）缺欠打磨去除后PT检查，确认无裂纹；

（3）严格进行道间清理防止压道缺陷；

（4）道间风铲振动消应力必须彻底和及时；

（5）认真对待弧坑裂纹的严重性和预防措施；

（6）烤枪进行水分的去除；

（7）严格进行焊条水分的去除工作；

（8）缺欠修复的断、跳方式严格执行，以防止应力过大；

（9）短焊道焊接以减小焊接应力；

（10）严格随型修磨和测量，型线和波浪度按较小值；

（11）合理的PT探伤时机，以便有效地发现延迟裂纹。

5 结语

结合多方面的原因分析尾水锥管与凑合S段的焊接焊缝存在焊缝开裂现象，存在较复杂的原因，在后续检修期重点关注。2021年4号机组检修全面进行UT（采用横波和纵波联合）检查，机组有效熔覆金属深度达到13 mm。