李 萬 有, 楊 小 軍, 楊 宏

(1.大唐雅安電力開發(fā)有限公司,四川 雅安 625500;2.四川二灘國際工程咨詢有限責任公司,四川 成都 611132)

1 工程概況

鍋浪蹺水電站系青衣江一級支流天全河梯級開發(fā)中的龍頭電站,位于四川省雅安市天全縣紫石鄉(xiāng)境內,電站主廠房機組設計為3×70 MW混流式機組。水輪機型號為HLA920-LJ-245,額定水頭250 m,在任何工況下甩負荷時,蝸殼進口處最大壓力不超過3.8 MPa。

大機組共3臺,由昆明電機廠有限公司制造,每臺機組蝸殼共分為24節(jié),一塊舌板。其中小頭(第18～24節(jié))瓦塊與座環(huán)焊接在一起,整體到貨;其余蝸殼各節(jié)在昆明電機廠內預裝,將第2～5節(jié)、第6～9節(jié)、第10～13節(jié)、第14～17節(jié)在廠內分別組裝成大節(jié)(共4大節(jié))加固后分節(jié)運至施工現場進行掛裝,現場廠家未設置湊合節(jié)和蝶形邊。

蝸殼鋼板材質均為Q345R,鋼板厚度δ=28～36 mm,其中第1～6節(jié)厚度為36 mm,第7～14節(jié)厚度為32 mm,第15～21節(jié)厚度為28 mm;座環(huán)直徑3 298 mm,鋼板厚度δ=90 mm,廠家到貨座環(huán)材質為Q345B;蝶形邊焊縫直徑4 047 mm,焊縫長度為9 536 mm,蝶形邊為v型單面坡口,坡口在流道內側。蝸殼瓦塊與座環(huán)焊接采用廠家提供焊條(型號:CHE507,Φ5.0 mm、4.0 mm、3.2 mm)。

2 3號機蝸殼安裝焊接異常情況

3號機蝸殼安裝焊接完成后,在探傷時多次發(fā)現焊縫冷裂紋,監(jiān)理工程師采取了焊材質量核查、更嚴格控制焊接工藝及焊接過程、旁站監(jiān)督、組織召開專題會、征詢廠家意見、暫停焊接等多種措施,也督促承包人對3號機蝸殼重新進行了焊接,但結果仍不理想。

2.1 第一次焊接及結果

3號機座環(huán)安裝和蝸殼掛裝完成并經監(jiān)理驗收后開始焊接,焊接方式嚴格按照廠家提供的焊接工藝作業(yè)指導書的要求進行,采用多段、多層、多道、退步焊接,焊條為主機廠家提供,焊條現場烘烤保溫。

焊接完成24 h后對上、下蝶形邊焊縫探傷檢查,未發(fā)現裂紋,但在后續(xù)探傷復查時,發(fā)現下蝶形邊出現開口性裂紋,其位置在蝶邊與蝸殼母材融合線上,為連續(xù)性裂紋;上蝶形邊裂紋出現在焊縫內部,其位置靠近蝸殼板材側,也為連續(xù)性裂紋。

因裂紋在焊接過后未立即出現,而是相隔一段時間才出現,因而判斷為焊接冷裂紋,也稱之為“延遲裂紋”。經過承包人和監(jiān)理單位多方咨詢,并與廠家溝通后進一步完善其焊接工藝流程,增加了焊前預熱(溫度為120 ℃)、焊后后熱(溫度為250 ℃,4 h)工序,其余焊接方式和焊條均未調整,同時,要求承包人嚴格控制焊接電流、焊接速度、控制焊接層間溫度、加強層間焊縫清理等精細化管理。

2.2 下蝶形邊焊縫處理及結果

承包人按照廠家要求對3號蝸殼下蝶形邊焊縫進行處理,處理完成后對焊縫進行超聲波無損檢測,發(fā)現裂紋仍然存在。監(jiān)理工程師隨即要求承包人暫停蝸殼焊接工作,并及時上報3號蝸殼焊接詳細過程、缺陷出現的部位和形式。

鑒于3號蝸殼下蝶形邊焊縫處理完成后仍然存在裂紋的情況,監(jiān)理工程師要求承包人上報“3號機組蝸殼焊縫問題及其焊接方式的函”,經監(jiān)理工程師審核后,立即轉呈了業(yè)主并建議業(yè)主協(xié)調昆明電機廠對該問題出具書面處理意見。業(yè)主協(xié)調廠家提供了書面回復意見。監(jiān)理工程師隨即轉發(fā)給承包人,并要求承包人嚴格按照廠家意見組織現場施工。

2.3 上蝶形邊焊縫處理及結果

處理上蝶形邊時,先將缺陷刨開后進行著色探傷檢查和滲碳層打磨,確定是否將缺陷部位清理干凈,著色探傷合格后,再進行焊接,同時嚴格控制預熱和后熱溫度。焊前預熱(溫度為120 ℃)、焊后后熱(溫度為250 ℃,4 h),采用多段、多層、多道和退步焊接方式,焊條為主機廠家提供。焊接完成48 h后,對焊縫進行了超聲波無損檢測,發(fā)現焊縫內部仍有線狀缺陷。

監(jiān)理工程師加大了現場檢查旁站力度,在例行檢查時發(fā)現設備制造廠家提供的焊接材料的出產日期和出產檢驗批次號與現場實物不符。依據前期焊接情況,雖然設備廠家提供的焊接材料是大西洋牌的CHE507焊條,仍無法確定焊條的質量是否滿足要求。為保證后續(xù)的焊接質量控制,要求承包人自行采購一批由大西洋自貢總廠生產的CHE507焊條用于后續(xù)的焊接施工。

3號機上蝶形邊處理完成后,經承包人進行了超聲波無損檢測,原廠家提供焊條所焊接的焊縫有4處存在裂紋和線狀缺陷等質量問題。承包人再次對上蝶形邊存在質量缺陷的焊縫,用自購焊條進行了處理,處理完成后進行了超聲波無損檢測,未發(fā)現質量缺陷,整體質量受控。

2.4 下蝶形邊焊縫第二次處理及結果

承包人繼續(xù)對下蝶形邊原焊接焊縫有缺陷的部位進行處理,進行刨除、打磨、探傷、重新焊接,焊接完成后進行超聲波無損檢測,發(fā)現上蝶形邊第14、15節(jié)暫未處理的焊縫缺陷進一步擴大,下蝶形邊第4、5、6節(jié)又存在不同程度的裂紋、線狀缺陷等質量問題。故蝸殼焊接工作再次暫停。

3 3號機蝸殼缺陷的原因

3號機蝸殼裂縫問題出現后,參建各方組織多次進行了技術討論分析,業(yè)主也組織參建各方前往昆明電機廠,召開了鍋浪蹺水電站3號機組座環(huán)蝸殼現場焊接裂紋專題會,初步判定3號機組蝸殼裂紋可能由焊接工藝、結構工藝和環(huán)境等造成的應力集中無法釋放而產生的。

根據《水輪機金屬蝸殼安裝焊接工工藝導則》(DL/T 5070-2012)及《能源行業(yè)標準》(NB/T-35045-2014)等相關規(guī)范對現場施工焊縫返修和處理的相關規(guī)定:“…同一部位焊縫缺陷返修次數一般不應超過兩次…”。由于3號機蝸殼上下蝶形邊焊縫已返修兩次(共焊接了三次),如果再一次進行返修,極可能導致熱影響區(qū)冷裂紋和延遲裂紋的隱患,且多次受熱會造成母材晶相組織不均勻和力學性能下降,有可能對機組運行安全及使用壽命造成嚴重影響。故會議決定后續(xù)3號機蝸殼及座環(huán)返廠進行檢測和處理,并重新研究機組蝸殼的焊接工藝、方式和順序。

4 3號機蝸殼后續(xù)處理措施及結果

針對蝸殼現狀,監(jiān)理工程師進一步加強了蝸殼組裝和焊接的質量管理措施,從人員資質審核和安裝及焊接過程等方面加強現場質量管理,確保過程全面受控。同時,監(jiān)理工程師就3號機蝸殼裂縫問題,與參建各方多次進行原因分析、技術探討和開會研究,也結合現場條件提出了很多改善措施,最后決定將減少焊接殘余應力作為突破口,遂提出了技術調整措施。

4.1 蝸殼缺陷處理質量的管控措施

4.1.1 處理措施審批

督促承包人按照廠家提供的座環(huán)、蝸殼相關圖紙及安裝說明書、焊接工藝作業(yè)指導書和規(guī)范等相關要求,編制并上報了“座環(huán)及蝸殼質量處理專項施工措施”,監(jiān)理工程師及時對該措施組織專題研究并進行了批復,對蝸殼的焊接前準備工作、焊接過程的安全措施、蝸殼水壓試驗、保壓澆筑防變形措施,以及特殊作業(yè)人員相關資質申報等方面提出了要求。

督促承包人進行了蝸殼焊接工藝評定,并上報了“關于蝸殼焊接工藝評定的函”,監(jiān)理工程師根據合同文件、規(guī)程規(guī)范和現場具體情況進行了審查,并正式批復,同時要求承包人根據該報告書及廠家提供的焊接工藝指導書編制焊接作業(yè)指導書。

督促承包人上報了“蝸殼焊接工藝作業(yè)指導書的函”,監(jiān)理工程師根據合同文件、規(guī)程規(guī)范和現場具體情況進行了審核,并正式批復,同時對開焊檢查、無損檢測、焊條保管、蝸殼焊接的焊工、應力消除、安全技術交底等方面進行了強調要求。

4.1.2 人員資質審核

督促承包人上報了“上報特種作業(yè)人員的函”,經監(jiān)理工程師核查,承包人提交的特種作業(yè)人員資質真實并且在有效期內,遂分別進行了批復,并組織焊工進行考試,合格人員方可上崗作業(yè)。同時在焊接過程中,多次抽查作業(yè)人員的持證情況,確保焊工資格及水平滿足規(guī)范要求。

4.1.3 蝸殼安裝質量控制

蝸殼因其形狀而得名,是水流均勻分配流入轉輪,減小因水力不平衡而引起水力振動,是形成水輪機環(huán)量的關鍵部件。為了確保蝸殼安裝質量,監(jiān)理工程師督促承包人嚴格按照工藝要求進行現場施工,同時對每道工序質量進行檢驗。

(1)檢查蝸殼拼裝場地應符合設計、制造廠、規(guī)范和合同規(guī)定的要求。

(2)檢查安裝單位資源投入,特別是特種作業(yè)人員的檢查,例如,焊接技術工人和探傷人員,所投入資源能否滿足施工要求。

(3)蝸殼拼裝的允許偏差應符合設計和制造廠的要求。

(4)進行蝸殼進口直管段的調整及環(huán)縫焊接,完成蝸殼層的所有埋管及其它附件安裝。

(5)按照設計和制造廠要求安裝和焊接蝸殼內部的加固支撐,防止蝸殼變形和位移。

(6)蝸殼安裝的允許偏差應符合設計和制造廠的要求。

4.1.4 蝸殼焊接質量控制

(1)所投入的焊工資質滿足要求,且應經現場考試合格。

(2)點焊焊條應與焊接焊條相同,焊前應檢查點焊質量,如有開裂、未焊透及氣孔等缺陷,應徹底清除。

(3)各節(jié)間和蝶形邊對接焊縫間隙一般為2～4 mm,過流面錯牙不應超過板厚的10%,但縱縫最大錯牙不應大于2 mm。

(4)坡口局部間隙超過5 mm,其長度不應超過焊縫長度的10%,且一般應在坡口處作堆焊處理。

(5)湊合節(jié)的環(huán)縫焊接,應有減少焊接應力和防止座環(huán)變形的措施。

(6)蝸殼焊縫應進行無損探傷檢測或按設計要求進行檢測。

所有的蝸殼縱向焊縫及蝸殼與座環(huán)的連接焊縫要進行100%射線探傷檢測,并達到《鋼焊縫射線照相及底片等級分類法》規(guī)定的標準。個別不能用射線檢測的部位,要進行100%超聲波探傷檢測,達到《鋼制壓力容器對接焊縫超聲波探傷》規(guī)定的標準。所有環(huán)縫均應進行100%超聲波探傷檢查,對有懷疑的地方,用射線探傷進行復查。對所有焊縫應打磨平整并進行染色滲透或磁粉探傷檢測。

(7)埋設件過流表面焊接應平滑過渡,吸出管里襯上部的焊縫應磨平,混凝土與埋設件過流表面應平滑過渡。

4.1.5 蝸殼水壓試驗

蝸殼水壓試驗目的在于檢查蝸殼在設計、制造、安裝、焊接等全過程的質量,同時消除焊接產生的殘余應力。

電站蝸殼試驗壓力為5.6 MPa,保壓30 min。蝸殼水壓試驗分為升壓、保壓和降壓過程,試驗中嚴格按照廠家技術要求執(zhí)行,升壓、降壓速度≤0.10 MPa/min。蝸殼加固、監(jiān)測儀器安裝、試驗設備及管路安裝等試驗準備工作完成后,逐級加壓至0.5 MPa、1.45 MPa、2.7 MPa、3.8 MPa,并在每級壓力保壓20 min,再升壓至5.6 MPa保壓30 min。升壓試驗無異常且保壓時間達到后,開始進行降壓,逐級降壓至3.8 MPa、2.7 MPa、1.45 MPa、0.5 MPa,并在每級壓力保持20 min,無異常后降到常壓。

蝸殼水壓試驗時,督促承包人精心組織,重點注意試壓悶頭焊接質量及探傷結果、蝸殼加固質量,同時試驗過程中做好座環(huán)位移、蝸殼變形、滲漏情況等檢查,并記錄各監(jiān)測百分表讀數。

4.1.6 蝸殼混凝土澆筑

(1)蝸殼打壓完畢后應檢查所有的緊固件是否牢固,復測座環(huán)的水平及圓度,合格后充水至保壓澆筑壓力1.45 MPa。

(2)澆筑蝸殼混凝土時,嚴格審核蝸殼層混凝土分層方案(分為三層,蝸殼底部、蝸殼腰線、水輪機層),混凝土澆筑上升速度不應超過300 mm/h,每層澆高不大于2 m。且要求混凝土連續(xù)均勻入倉,減少對蝸殼的浮托力、側壓力。督促承包人注意加強監(jiān)測座環(huán)和蝸殼的位移及變形情況,并及時根據監(jiān)測數據調整混凝土的澆筑速度、下料順序及振搗方式。

(3)混凝土養(yǎng)護期后泄壓并拆除打壓試驗設備,復測座環(huán)和蝸殼尺寸,與設計要求進行對比。

(4)對蝸殼過流面進行檢查、防腐處理。

4.2 蝸殼安裝焊接技術調整措施

針對3號機蝸殼焊縫裂縫問題,參建各方多次進行原因分析、技術探討、開會研究,最后決定將減少殘余應力作為突破口,遂采取了調整蝸殼焊接方式、焊接順序、加強焊接工藝及細節(jié)控制、改善現場環(huán)境等技術調整措施。

(1)焊接作業(yè)方式由手工電弧焊調整為二氧化碳混合氣體(78%CO2+22%Ar)保護焊。

(2)將第4節(jié)、第5節(jié)之間,第12節(jié)、第13節(jié)之間的環(huán)縫割開,以進一步釋放應力。

(3)在蝸殼節(jié)上增加履帶式加熱片,減少溫差。

(4)現場搭設彩條布,做好封閉措施,避免風速影響焊接質量。

(5)進一步加強蝸殼的內外加固工作,避免因自重產生外應力。

(6)進一步加強施工現場的環(huán)境監(jiān)測工作,確保其溫度、濕度、風速滿足焊接條件。

(7)調整焊接順序。先焊接蝸殼上、下蝶形邊,再依次焊接蝸殼節(jié)環(huán)縫,最后焊接蝸殼進口段的舌板、環(huán)焊縫焊接。蝸殼上、下蝶形邊焊接步驟為:首先焊接蝸殼上蝶形邊外側焊接(4層),再焊接下蝶形邊外側焊縫(4層),再從蝸殼內側清根、打磨、焊接。采用多段、多層、多道、退步焊接,每焊接一層,用風鏟做均勻錘擊處理,焊前預熱,后棚內濕度<50%,焊接處溫度>80 ℃。焊接后熱處理,每天焊接完后,預留約1 h的后熱時間。環(huán)焊縫的焊接是先將坡口側焊縫焊滿,從另一側進行清根、焊接。

4.3 蝸殼缺陷處理結果

通過承包人焊接工藝及順序的調整、工序質量精細化管理、現場環(huán)境條件的進一步改善。機組蝸殼上、下蝶形邊焊接完成后,均進行了UT探傷檢查,無裂紋缺陷存在。并請第三方對焊接質量進行了檢測,未發(fā)現線狀缺陷。后續(xù)承包人按照設計和廠家蝸殼水壓試驗說明書要求進行了蝸殼水壓試驗,試驗過程順利,無異常情況。

5 結 語

從鍋浪蹺水電站蝸殼安裝焊接中發(fā)現的焊接缺陷、后續(xù)的處理措施、處理過程和結果來看,要保證蝸殼安裝焊接質量,除加強焊接前的焊接工藝、焊接順序、方案等技術準備外,焊接過程更要注意減少焊接殘余應力,加強焊接環(huán)境控制及焊接過程中的預熱、后熱、層間打磨、焊條保溫等精細化管理。目前,鍋浪蹺水電站三臺機組投運已穩(wěn)定運行了半年多,機組運行情況良好,說明蝸殼安裝焊接質量可靠。