賈 天

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

1 概 述

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，電站安裝4臺單機容量為375 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 500 MW，是國內(nèi)首個百萬千瓦級實行EPC總承包模式的水電站，受到同行及各界的關(guān)注。4臺套水輪機及其附屬設(shè)備由上海福伊特電機公司負責(zé)設(shè)計制造，根據(jù)焊接工藝大綱的要求，座環(huán)環(huán)板焊接為560 ℃×8 h，加溫難度大、保溫要求高。因此，制定合適的焊接工藝在實施過程中通過合理控制環(huán)板溫度監(jiān)控焊接變形成為座環(huán)組裝焊接中的關(guān)鍵工作。

2 座環(huán)的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求

楊房溝水電站共安裝4臺機組,由于受運輸條件的限制,座環(huán)在制造廠內(nèi)加工完成后分為兩瓣運到現(xiàn)場,單件最大重77 t，單臺總重147 t。座環(huán)外圓直徑為9 920 mm，整體高度3 281 mm,上、下環(huán)板厚度為160 mm,座環(huán)上、下環(huán)板材質(zhì)為S420NL-Z35鋼板，26個固定導(dǎo)葉和鼻端導(dǎo)葉的材料為S550Q高強度鋼板，過渡板材料為S550M高強度鋼板。該電站的座環(huán)現(xiàn)場焊接工作涉及到上下環(huán)板、蝶形邊等結(jié)構(gòu)部分。該座環(huán)現(xiàn)場組裝焊接控制難點：

(1)焊接尺寸控制要求高,在焊接過程中如何保證上環(huán)板的平面度、上下環(huán)板的圓度及同心度是焊接質(zhì)量控制的難點。

(2)板材較厚,預(yù)熱溫度高，座環(huán)環(huán)板焊接為局部熱處理，560 ℃×8 h，是筆者單位首次接觸到這么高溫度的熱處理情況，溫度控制得不合理，極易造成座環(huán)無法修復(fù)的變形。

(3)焊接質(zhì)量要求高,焊縫均為I類縫。

3 座環(huán)組裝焊接工藝方案

3.1 座環(huán)組裝

(1)座環(huán)的拼裝工作在安裝間定子工位進行。根據(jù)座環(huán)實際尺寸,在工位圓8 810 mm上均布設(shè)12個高800 mm的拼裝支墩，每個鋼支墩上擺放一臺50 t千斤頂。采用水準儀進行測量調(diào)整支墩水平度偏差不大于1 mm。

(2)在單瓣座環(huán)吊裝前采用砂輪機打磨、砂紙細磨等方式處理座環(huán)組合縫，并對座環(huán)組合螺栓孔清洗，清除掉其中的高點及毛刺。起吊第一瓣座環(huán)，由于座環(huán)偏重，利用配重將座環(huán)調(diào)平及方位調(diào)整合格后起吊，緩緩下落到組裝支墩上。

(3)對第一瓣座環(huán)水平進行調(diào)整，控制其水平偏差在1 mm之內(nèi)，合格后開始吊裝第二瓣座環(huán)。起吊第二瓣座環(huán)，同樣將座環(huán)找平，調(diào)整合格后起吊至第一瓣座環(huán)組裝處，緩緩下落到組裝支墩上。座環(huán)下落至支墩上方約50 mm處時，緩慢落鉤調(diào)整兩瓣座環(huán)組合螺栓孔，使其對正，然后裝上組合螺栓及螺母。一邊測量座環(huán)分瓣面的間隙、錯牙，一邊對稱均勻擰緊組合螺母。調(diào)整座環(huán)水平度并找準圓心及X、Y軸線及導(dǎo)水機構(gòu)中心線標記。要求環(huán)板已加工面平面度不超過0.5 mm/m,環(huán)板內(nèi)圓圓度偏差不超過1.0 mm。根據(jù)實際測量的分瓣面間隙、錯牙情況，對組合螺母的擰緊順序進行調(diào)整。然后調(diào)整鋼支墩上的斜楔，當(dāng)調(diào)整到兩瓣座環(huán)面銷套孔基本不錯牙時，裝入圓柱銷，然后按要求擰緊組合螺母[1]。

(4)在座環(huán)的初步組圓工作完成以后，需要檢查座環(huán)的整體水平和圓度并對其進行調(diào)整，合格后對組合螺栓進行把緊。在組合螺栓的把緊過程中需要控制座環(huán)組合面的組合間隙和錯牙使其符合規(guī)范要求。

3.2 座環(huán)焊接工藝

(1)現(xiàn)場焊接全部采用手工電弧焊進行:安排8名電焊工分布在對稱的合縫位置,每個施焊部位由4名焊工對稱施焊，焊接過程連續(xù)進行不中斷[2]。

(2)座環(huán)整體焊接順序:座環(huán)上下環(huán)板/基礎(chǔ)板分瓣面→上下過渡板分瓣面→上下環(huán)筒/內(nèi)環(huán)筒分瓣面→上下支撐筋板→蝸殼→導(dǎo)流環(huán)/板。

(3)座環(huán)上下環(huán)板焊接：按照要求進行焊前預(yù)熱后開始定位焊縫焊接，定位焊縫長度約為80～100 mm，間距為300～400 mm，定位焊縫焊接在清根側(cè)焊縫位置。座環(huán)上下環(huán)板和基礎(chǔ)板從下側(cè)坡口進行打底焊接，之后正面清根和焊接，道間焊接方向相反。正反面交替焊接，焊接厚度可根據(jù)實際變形情況進行調(diào)整。焊接時由8名焊工同時、對稱填充四個分瓣面，分段退焊整體加固。

(4)座環(huán)上下過渡板焊接。劃過渡板位置線，并裝妥分瓣面上下過渡板，點焊牢固。8名焊工各焊接1條過渡板對接縫,呈整體對稱分布,采用薄層窄道多層多道焊接。由于該部分焊縫應(yīng)清根焊透,而此時焊縫的拘束度非常大,且母材為S500M,為避免出現(xiàn)焊接裂紋,應(yīng)盡可能降低焊接殘余應(yīng)力水平,以降低裂紋傾向。所以在焊接過程中,除打底焊道和蓋面焊道外,其余各層均應(yīng)用風(fēng)鎬錘擊消除應(yīng)力。先焊接內(nèi)側(cè)坡口1/2深度，之后外側(cè)清根焊接1/2坡口深度，焊接過程中兩側(cè)交替焊接。在焊接消除應(yīng)力及層間清理過程中需要控制施工質(zhì)量。

(5)焊接環(huán)筒與支撐筋的裝配。裝配上環(huán)筒以及下環(huán)筒堵板，點焊牢固，控制環(huán)筒的錯邊在1 mm以內(nèi)，環(huán)筒焊接完成后再焊接支撐筋板。焊接順序為：先焊接環(huán)筒的對接焊縫(即縱縫)。焊接時先焊接內(nèi)側(cè)坡口1/2深度，之后外側(cè)清根后焊接坡口深度1/2，然后兩側(cè)交替焊接。再焊接環(huán)筒與環(huán)板之間的焊縫(即環(huán)縫)，最后焊接筋板。

3.3 座環(huán)焊接質(zhì)量控制

(1)焊接材料。座環(huán)過渡板之間采用GB E6015焊材進行焊接，過渡板與環(huán)板對接采用GB E6015焊材焊接。在焊接前所用焊條在焊條烘焙箱內(nèi)必須在350℃～400 ℃經(jīng)2 h的烘烤后緩冷至100℃～150 ℃進行保溫；焊接過程中使用的焊條存放于接好電源的保溫筒內(nèi)保溫,焊接作業(yè)過程中隨用隨取，建立嚴格的焊條領(lǐng)用登記。

(2)坡口清理。焊前必須將坡口及其兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的毛刺、鐵銹、氧化渣、油污、水分等徹底清理干凈，清理完成后由監(jiān)理對焊接清理情況進行現(xiàn)場確認，經(jīng)許可后進入下一步施焊程序。焊接過程中需特別注意層間清理工作，每一次層間清理必須完善到位，防止再次施焊過程中出現(xiàn)夾渣。

(3)環(huán)板兩端立焊位置焊接。從仰焊部位連續(xù)焊接,一直到平焊位以減少焊接接頭,保證焊接質(zhì)量。嚴格控制焊接過程中的熱輸入，把控焊接速度，避免出現(xiàn)焊接未融透的現(xiàn)象。

(4)上下環(huán)板焊接過程中需保持預(yù)熱溫度，如需中斷焊接則焊后應(yīng)立即進行消氫處理，保溫溫度250 ℃，保溫時間根據(jù)焊縫厚度確定，1 h/40 mm，最低不少于1 h。通過控制焊接后熱過程中的溫升及溫降變化速度，可以有效控制座環(huán)變形。

4 座環(huán)焊接的優(yōu)化工藝

4.1 環(huán)板焊接溫度控制

環(huán)板的焊接溫度要求：環(huán)板焊縫應(yīng)局部熱處理560 ℃×8 h，最大升溫速度30 ℃/ h，最大降溫速度30 ℃/h。加熱范圍應(yīng)覆蓋焊縫、熱影響區(qū)及其相鄰母材，且加熱帶寬度至少360 mm。焊縫表面應(yīng)布置熱電偶進行測溫，保證焊縫中心、距熔合線0～5 mm處、距熔合線50 mm處至少各有一個測溫?zé)犭娕肌?/p>

該過程中遇到的難點：由于環(huán)板焊縫局部熱處理溫度達到了560 ℃，現(xiàn)場最開始按照常規(guī)水電站加溫方式，采取的單塊加熱片在試驗加熱過程中出現(xiàn)了加熱片損壞，保溫被燃燒的現(xiàn)象，溫度也無法正常上升。多次加熱與降溫可能對座環(huán)的尺寸造成無法避免的變形，后果不可預(yù)料。

環(huán)板的焊接設(shè)備布置措施：通過對影響加溫的一系列因素進行分析，發(fā)現(xiàn)單片加溫方式由于座環(huán)環(huán)板厚度過大，且不規(guī)則的弧形結(jié)構(gòu)，單層加熱片無法完美地與座環(huán)貼合，間隙過大造成熱量流失過快而加熱范圍受限導(dǎo)致加熱設(shè)備無法擴大加溫范圍，保溫棉被與加熱片貼合過于緊密容易著火。由此制定了新的加溫措施，對于環(huán)板上下兩面采用鋪設(shè)雙層加熱片降低熱量流失速度以提高加熱效率，將保溫棉被與加熱片之間采用鋼架隔離，加大保溫棉被的鋪設(shè)范圍，在加熱片中加設(shè)熱電偶監(jiān)測溫度變化，熱電偶及加熱片與溫控柜連接，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度變化情況。

環(huán)板焊接溫度控制措施：焊接施工前對施焊人員再次進行了焊接工藝培訓(xùn)，使施工人員對焊接方式、焊接熱輸入及各自的焊接任務(wù)有了詳細的了解。焊縫焊接前需要對焊縫兩側(cè)進行預(yù)熱，預(yù)熱采用遠紅外溫控加熱儀，預(yù)熱溫度控制在80℃～120 ℃，預(yù)熱寬度為480 mm。焊接監(jiān)控人員需要在焊接過程中通過溫控儀對層間溫度進行監(jiān)控，層間溫度控制在150℃～200 ℃，若發(fā)現(xiàn)溫度變化過大應(yīng)及時提醒施工人員控制焊接熱輸入，焊接過程中嚴格控制層間溫度[3]。焊接完成后按照環(huán)板焊接保溫方式對環(huán)板采用石棉布包裹，使用履帶式加熱片進行后熱及保溫工作，保溫溫度為560 ℃，持續(xù)8 h，冷卻溫度每小時低于30°，降到了常溫。在消氫過程中嚴格控制溫度變化[4]。

通過合理的加溫設(shè)備布置、嚴格的座環(huán)焊接工藝等一系列手段，完美地保證了焊接過程中難度最大的座環(huán)環(huán)板焊接質(zhì)量，實現(xiàn)了座環(huán)的順利焊接、驗收、安裝。

4.2 環(huán)板焊接變形監(jiān)控

環(huán)板焊接變形控制要求：需要在座環(huán)焊接過程中監(jiān)控其變形情況，每間隔一定時間，利用水準儀監(jiān)測座環(huán)上環(huán)板、下環(huán)板圓周均布的測點測量水平度變化及座環(huán)固定導(dǎo)葉高程變化，對座環(huán)焊縫兩側(cè)標記控制點的收縮情況采用鋼板尺進行檢查，對座環(huán)上法蘭、上環(huán)板、下環(huán)板等部分圓度及同軸度采用中心掛鋼琴線的檢查方式進行檢查。監(jiān)測過程中如果發(fā)生超標變化情況，則應(yīng)通知焊接人員立刻停止焊接，對焊接速度、線能量或焊接工位進行調(diào)整，直至合格為止。

影響因素：環(huán)板周長減小主要是由于對接縫的焊接橫向收縮,從而使環(huán)板半徑減小;環(huán)板圓度不合格主要是由于焊接方向不同對焊接應(yīng)力的不同分布影響。

變形監(jiān)測措施：通過分析焊接過程中座環(huán)變形可能較大的時段，最終決定對座環(huán)焊接前、定位焊接完成、上下環(huán)板焊接25%、上下環(huán)板焊接50%、上下環(huán)板焊接75%、上下環(huán)板焊接100%、上下封板焊接完成、座環(huán)整體焊接完成等8個階段的座環(huán)數(shù)值進行檢查和數(shù)據(jù)記錄。每次需要測量的部位包括座環(huán)上環(huán)板水平度、下環(huán)板水平度、上法蘭內(nèi)徑、上環(huán)板內(nèi)徑、下環(huán)板內(nèi)徑、底環(huán)板內(nèi)徑等。其中水平度采用精度水準儀進行測量，圓度采用內(nèi)徑千分尺進行測量，每個部位的測點包括圓周分布的六個測點和焊縫位置的兩個測點等。每次測量完成均需要對測量數(shù)據(jù)進行對比，及時確認焊接變形情況，同時可以對焊接變化趨勢進行確定，以便對焊接進行調(diào)整。

變形控制措施：焊接過程中采用錘擊消應(yīng)的方式減小環(huán)板焊接應(yīng)力,使焊縫的橫向收縮值減小,控制半徑不會過小。合理控制焊接線能量和層間溫度可以控制施焊過程中的變形，焊接線能量過大和層間溫度過高等均會影響焊縫的橫向收縮量進而改變環(huán)板半徑。環(huán)板的半徑和圓度可以通過改變焊接方向進行調(diào)整,由外向內(nèi)方向焊接可以改變半徑過小的情況,由內(nèi)向外方向焊接可以改變半徑過大的情況。

由于焊接應(yīng)力和變形既同時存在又相互制約并不是兩種獨立的現(xiàn)象，因此，主要采用風(fēng)鏟對焊縫除打底層和蓋面層以外的各層敲擊消除應(yīng)力，同時在焊接過程中監(jiān)測變形情況，通過調(diào)整焊接參數(shù)、順序、部位進行座環(huán)的焊接變形控制以保障焊接質(zhì)量[5]。

5 結(jié) 語

通過對楊房溝水電站座環(huán)組裝焊接工藝的研究，分析了該種結(jié)構(gòu)類型座環(huán)質(zhì)量要求高、尺寸控制難度大、預(yù)熱溫度高等焊接工藝難點，從控制組裝及焊接方面對影響焊接質(zhì)量的焊接溫度和焊接變形監(jiān)測兩大因素制定針對性措施。經(jīng)過控制環(huán)板雙層保溫加熱方式、控制層間溫度焊接工藝及多方位多階段變形監(jiān)控等措施的實施，降低了焊接質(zhì)量風(fēng)險，保證了座環(huán)組裝優(yōu)良的焊接質(zhì)量，為后續(xù)機組安裝創(chuàng)造了有利條件。

尤其是筆者單位第一次接觸560 ℃×8 h熱處理焊接方式，通過該電站的實施總結(jié)了寶貴的施工經(jīng)驗，同時也為以后類似工程的座環(huán)厚環(huán)板、高溫后熱處理焊接實施方式提供可借鑒的經(jīng)驗。