CN1106108A - 大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方法 - Google Patents

Abstract

一种大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方 法，是将转轮根据叶片的个数分瓣加工制作，通过一 定的焊接工艺现场组装成整体，可焊接大型对称分瓣 或偏心分瓣的水轮机转轮，焊接时焊缝收缩量小，克 服了奇数叶片的偏心分瓣转轮不对称的装配应力和 焊接应力造成的对转轮尺寸精度的影响；焊接质量 高，施工工期短，施工设备简单，是一种较理想的分瓣 转轮组焊方法。

Description

大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方法

本发明属于水轮机焊接领域，具体涉及一种大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方法。

混流式水轮机转轮，由上冠、下环、叶片(一般13只以上)及上、下止漏环等组成。直径在5.5m以上的大型水轮机因受条件的限制或铸造能力的限制，必须分瓣制作加工，现场组装成整体，其组装方式分为以下几种形式：

1)在上冠和下环处套上加热的轮箍，轮箍冷却后靠其收缩将上冠和下环箍紧，然后焊接叶片，使用此种方法施工工地要有一套复杂的加热设备，要求加热均匀，套在上冠与下环上时必须保证上冠法兰在水平面上并且不能错位，整体成型工艺复杂，很难保证焊接后的整体转轮的质量；

2)上冠用螺栓联接，下环用轮箍热套，然后焊接叶片，此种方法同样要有一套复杂的加热设备，同样很难保证焊接后的整体转轮的质量；

3)将转轮制成散件，在工地组装加工，此种办法要求工地有复杂的加工车间，叶片需要一片片的焊接，下环需要一段段的焊接，组装成整体后需要进行热处理，进行热处理的设备体积大，因此施工工期长，增加了投资，造成经济上的浪费。

本发明的目的是提供一种焊接工艺简单、工地组焊方便、不需要特别设备就能施焊的大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方法。

实现该方法的具体步骤如下：

1)首先修整叶片及下环的坡口，使叶片坡口呈X型，使下环的坡口呈双U型，将两瓣转轮放在同一水平面上，对齐焊缝；

2)然后将分瓣转轮的上冠用螺栓连接在一起，打入定位销钉固定后，给螺栓预紧应力，使螺栓在屈服极限内有一定的预紧应力，其值由设计给定；

3)整体起吊转轮或调节支墩上的楔形板，释放螺栓联接时造成的应力；和试件焊接试验的收缩值决定；

5)将楔形块顶入下环的焊缝中，在下环及叶片焊缝的间隙处焊接抗拉板；

6)首先对下环进行施焊，根据焊缝不同部位的收缩情况将下环焊缝分成若干焊段，焊前适当对焊缝进行预热，温度符合要求后，在下环内侧采用分段退步焊的方法对下环进行封底焊，封底焊后，在焊缝外侧清根，并检查裂缝、气孔、夹渣等缺陷，然后进行下环的第一遍(层)施焊，在焊缝内外两侧采用分段退步对称施焊的焊接工艺对下环进行施焊，同时监视上冠法兰下凹的恢复情况及焊缝的收缩情况，若上冠法兰下凹恢复的较快，此时焊缝也收缩的较快，需要增加抗拉板、降低焊接电流及减小焊层厚度；若上冠法兰下凹恢复的较慢，此时焊缝也收缩的较慢，需要适当割除拉板、升高焊接电流及加大焊层厚度；每焊完一层要垂击焊缝消除应力，彻底清除气孔、飞溅、焊瘤和灰渣，同时须进行一次上冠法兰面下凹值及焊缝横向收缩值测量并作好记录，以后各层均按一定的焊接顺序反复进行上述过程直至末层，此时上冠法兰下凹值固定在大于0.1mm/m的范围内，焊后立即进行热处理；

7)对叶片进行施焊，根据焊缝的收缩情况将叶片焊缝分成若干段，适当对叶片进行预热，温度符合要求后，在叶片的一侧用分段退步焊的方法对叶片从上至下进行封底焊，封底焊后在叶片的另一侧进行清根，然后进行叶片的第一遍施焊，从上至下根据叶片的长度进行分段退步焊，同时需要监视上冠法兰面下凹的恢复情况及焊缝的收缩情况，若上冠法兰下凹恢复的较快，此时焊缝也收缩的较快，需要增加抗拉板降低焊接电流；若上冠法兰下凹恢复的较慢，此时焊缝也收缩的较慢，需要适当割除抗拉板并升高焊接电流；按一定的焊接顺序反复进行上述过程直至末层，此时上冠法兰面下凹值固定在0～0.07mm/m的范围内。

施焊前上冠法兰的下凹值为0.2～0.3mm/m，下环顶开间隙为5±1mm。下环和叶片的收缩变形控制是靠调整抗拉板、楔形块和焊接电流，抗拉板数量为3～4条。

4条。

该发明具有以下优点：

1)允许厂家由于铁路运输条件的限制将水轮机转轮分两瓣加工制造；

2)可焊接大型对称分瓣或偏心分瓣的水轮机转轮，焊接时焊缝收缩量小，克服了奇数叶片的偏心分瓣转轮不对称的装配应力和焊接应力造成的对转轮尺寸精度的影响；

3)焊接质量高，能达到国家标准GB8564-88《水轮发电机组安装技术规范》的要求；

4)施工工期短，施工设备简单，是一种较理想的分瓣转轮组焊方法。

本发明的实施例参见下列各图：

图1为本发明偏心分瓣转轮的俯视图，叶片个数为17片；

图2为图1的A——A向视图；

图3为本发明偏心分瓣转轮的俯视图，叶片个数为13片；

图4为图3的B——B向视图；

图5为用钢直尺测量偏心转轮上冠法兰下凹值的测量状态示意图；

图6为图5的C——C向视图；

图7为下环处抗拉板和顶开装置装焊图；

图8为图7的D——D向视图；

图9为下环抗拉板焊接及间隙内顶入楔形块后的示意图；

图10为下环焊接变形测量测点分布图；

图11为叶片焊接变形测点尺寸图；

图12、13为下坏焊接工艺图；

图14为双U形坡口；

图15为X形坡口；

图16为下环焊后热处理曲线；

图中：

1——大瓣转轮    2——小瓣转轮    3——组合定位螺栓

4——组合螺栓    5——定位销钉    6——上冠

7——叶片        8——下环        9——钢直尺

10——抗拉板     11——立板       12——筋板

13——千斤顶     14——楔形块

A1、A1′、A2、A2′、A3、A3′为下环测点，a、b为上冠法兰下凹值的测点

实施例一：

单机容量为30.25万千瓦的水轮发电机组，水头59米左右，转轮公称直径8米，最大直径8.6米，高5.19米，重286吨，共13只叶片(如图3所示)，转轮采用偏心分瓣铸焊结构，偏心值为160mm，上冠用ZG20MnSi材料铸造，下环和叶片用ZG0Gr13Ni5Mo不锈钢材料铸造，分瓣转轮上冠用8个M175mm大螺栓把合，下环和被分割的叶片在工地上进行焊接。

1.转轮组合

1)首先清扫转轮的法兰、螺栓、销钉、螺栓孔和销钉孔，去除油污、毛刺等，给联接螺栓和定位销钉涂上润滑油，对下环及叶片两侧双U型及X型坡口用砂轮打磨见金属光泽；

2)在同一水平面上放上6个支墩，在支墩上各放一对楔形板，要求高度一致，将两瓣转轮平稳地放在上面，此时应注意转轮合缝面不得碰撞；

3)将组合螺栓、组合定位螺栓和销钉装入，按设计给定值给螺栓预紧应力，使螺栓均匀受力，各螺栓的预紧应力应一致；

4)转轮组合后其上冠合缝间隙用0.05mm塞尺检查不能通过；局部间隙不大于0.1mm，其塞尺深度应小于组合面相应厚度的三分之一，两测点之间的长度不超过组合面周长的20％；

5)若现场有条件可整体起吊转轮或调节支墩的楔形板，释放螺栓联接时造成的应力，使转轮恢复原始状态，组合缝处错牙不超过0.05mm，上冠法兰上口

2.转轮下环焊接

1)在下环组合缝两端各焊两块立板(如图7)，用50～100吨的千斤顶支在两块立板的中间，在焊缝两侧内、外各打上对称标记(见图10)，两标记之间的距离为L，将下环焊缝顶开间隙ΔL＝5.5mm，然后焊接3块抗拉板固定，外侧两块，内侧一块，在焊缝的上部和下部各打入一块楔形块；将下环分成七段，从上至下第一段350mm、第二段250mm、第三段350mm、第四段～第六段300mm、第七段250mm；

2)在坡口两侧500mm范围内进行局部预热，当坡口两侧300mm内温度达到250℃时拆除加热器，焊接温度不得低于150℃，干燥好的焊条应储存在70℃以上的保温筒中；

3)拆除加热器后迅速测量转轮的横向收缩、上冠法兰面的下凹值，此时下凹值应在δa＝δb＝0.2mm/m范围内，首先进行封底焊，用干燥好的奥237φ4mm的焊条，焊接电流控制在115～135A范围内，采用分段退步焊的方法进行，由两名焊工在下环合缝内侧施焊，一名焊工从上至下退步焊前四段，一名焊工从第五段开始退步焊后三段，两名焊工同时进行，封底焊完成后在外侧用电弧气刨和角磨机清根，用着色探伤检查，然后在下环的内外侧各一名焊工用LSE-821φ4mm的焊条(当下环材料为ZG20MnSi时采用T507φ4mm焊条)，采用相同的电流、焊速和方向进行焊接第一层(见图14)，两名焊工用退步焊的方法从下环的第六段、第七段开始焊，然后再同时从第一段退步焊到第五段，为避免对弧，一侧先起弧10～30mm后，另一侧再起弧焊。焊接电流为120～150A，根据变形情况适当调整焊接电流，为控制层间温度，要求分班连续作业，内外侧同时反复进行直至第六层，从第七层开始从上至下退步焊至末层，最后由下至上盖面，焊层厚度为3～5mm，焊道宽度不大于15mm，各层接头应错开20～40mm，每焊一条焊道，用风铲锤击焊缝，彻底清理飞溅、焊瘤和夹渣，用放大镜检查，焊缝不允许有裂纹、气孔、夹渣等缺陷。

焊接收缩量主要产生在前4～6层，因此，每焊一层，进行一次全面检测，

焊接收缩量主要产生在前4～6层，因此，每焊一层，进行一次全面检测，并作好记录，同时根据变形情况及时调整下环焊缝内、外焊接顺序、焊层厚度及焊接电流，以控制焊接变形。

在下环焊接中，应根据上冠法兰面下凹值的大小、焊缝不同部位的收缩情况，以及冷却后焊缝的收缩等因素作出判断，正确及时地割去各个部位的抗拉板及楔形块，一般在焊接四、五层后开始陆续割除。

自第二层起采用锤击消除应力，直到将焊缝表面打出均匀麻点为止。

4)下环热处理

下环焊接完成后立即进行热处理，在下环焊缝两侧和端面根据加热带尺寸焊上若干个小钩或其它凸出物以绑扎加热器，加热带的尺寸一般是下环厚度的4～7倍，根据加热器尺寸、功率分成若干组，在下环焊缝内外两侧安装热电偶，以检测加热温度，热电偶、加热器布置好后进行保温，然后根据加热曲线进行加热(见图16)，纵轴为温度坐标，横轴为时间坐标，热处理时转轮周围的气温不低于20度。

3.叶片的焊接

1)将叶片焊缝分成A侧、B侧，每侧焊缝从上至下分为五段，打上对应的测点，A侧第一对测点与叶片顶端之间的距离为800mm弧度，第二对测点与第一对测点之间的距离为750mm弧度，第三对测点与第二对测点之间的距离为900mm弧度，第四对测点与第三对测点之间的距离为800mm弧度，叶片底部与第四对测点之间的距离为800mm弧度；B侧第一对测点与叶片顶端之间的距离为800弧度，第二对测点与第一对测点之间的距离为750mm弧度，第三对测点与第三对测点之间的距离为800mm弧度，第四对测点与第三对测点之间的距离为1000mm弧度，叶片底部与第四对测点之间的距离为1000mm弧度，施焊前将叶片预热到80～100度，叶片错口不大于3mm，通过型板、千斤顶调整，在正面焊3～4条拉板，然后用奥237φ4mm焊条，每隔500mm搭焊一段长度30～50mm，厚度6～8mm；

2)进行封底焊，用奥237φ4mm焊条，自上而下分段退步焊，每段300～400mm；焊接电流110～120A；在背面用电弧气刨和角磨机清根；进行着色探伤；

3)清根后用LSE-821φ4mm焊条焊接，每个叶片由两名焊工从上至下对称进行焊接，四名焊工同时焊接两个叶片每焊完一次锤击一次，焊接电流140～170A，焊厚3～4mm；

4)焊接变形控制、监测与下环一样，同样需要控制上冠法兰面的下凹值，叶片焊接完成后上冠法兰面的下凹值控制在0～0.07mm/m。

实施例二：

单机容量为32万千瓦的水轮发电机组，水头120米左右，公称直径6米，最大直径6.6米，高3.06米，重145吨，共17只叶片(如图1所示)，转轮采用偏心分瓣铸焊结构，偏心值250mm，上冠用ZG20MnSi材料铸造，下环为20MnSi材料铸造，叶片用ZG0r13Ni5Mo不锈钢材料铸造，分瓣转轮用8个M175mm大螺栓把合，下环和被分割的叶片在工地上进行焊接。下环焊接工艺参见图15，将下环分成五段，首先进行封底焊，用干燥好的奥237φ4mm的焊条，焊接电流控制在115～135A范围内，采用分段退步焊的方法进行，由一名焊工在下环合缝内侧从上至下退步焊进行封底，封底焊完成后在外侧用电弧气刨和角磨机清根，用着色探伤检查，然后在下环的内外侧各一名焊工用T507φ4mm的焊条，采用相同的电流、焊速和方向进行焊接第一层，两名焊工用退步焊的方法从下环的第五段开始焊，然后再同时从第一段退步焊到第四段，为避免对弧，一侧先起弧10～30mm后，另一侧再起弧焊。焊接电流为120～150A，根据变形情况适当调整焊接电流，为控制层间温度，要求分班连续作业，内外侧同时反复进行直至第十五层，从第十五层开始由于下环的不均匀后厚度焊段逐渐减少直至末层，最后由下至上盖面，其它监控方法同实施例一。

Claims (5)

1.大型混流式水轮机分瓣转轮工地组焊的方法，实现该方法的具体步骤如下：

1)首先修整叶片及下环的坡口，使叶片坡口呈X型，使下环的坡口呈双U型，将两瓣转轮放在同一水平面上，对齐焊缝；

2)然后将分瓣转轮的上冠用螺栓连接在一起，打入定位销钉固定后，给螺栓预紧应力，使螺栓在屈服极限内有一定的预紧应力，其值由设计给定；

3)整体起吊转轮或调节支墩上的楔形板，释放螺栓联接时造成的应力；

4)用千斤顶将两瓣转轮的下环顶开形成一间隙，其值由上冠法兰的下凹值和试件焊接试验的收缩值决定；

5)将楔形块顶入下环的焊缝中，在下环及叶片焊缝的间隙处焊接抗拉板；

6)首先对下环进行施焊，根据焊缝不同部位的收缩情况将下环焊缝分成若干焊段，焊前适当对焊缝进行预热，温度符合要求后，在下环内侧采用分段退步焊的方法对下环进行封底焊，封底焊后，在焊缝外侧清根，并检查裂缝、气孔、夹渣等缺陷，然后进行下环的第一遍(层)施焊，在焊缝内外两侧采用分段退步对称施焊的焊接工艺对下环进行施焊，同时监视上冠法兰下凹的恢复情况及焊缝的收缩情况，若上冠法兰下凹恢复的较快，此时焊缝也收缩的较快，需要增加抗拉板、降低焊接电流及减小焊层厚度；若上冠法兰下凹恢复的较慢，此时焊缝也收缩的较慢，需要适当割除抗拉板、升高焊接电流及加大焊层厚度；每焊完一层要垂击焊缝消除应力，彻底清除气孔、飞溅、焊瘤和灰渣，同时须进行一次上冠法兰面下凹值及焊缝横向收缩值测量并作好记录，以后各层均按一定的焊接顺序反复进行上述过程直至末层，此时上冠法兰下凹值固定在大于0.1mm/m的范围内，焊后立即进行热处理；

7)对叶片进行施焊，根据焊缝的收缩情况将叶片焊缝分成若干段，适当对叶片进行预热，温度符合要求后，在叶片的一侧用分段退步焊的方法对叶片从上至下进行封底焊，封底焊后在叶片的另一侧进行清根，然后进行叶片的第一遍施焊，从上至下根据叶片的长度进行分段退步焊，同时需要监视上冠法兰面下凹的恢复情况及焊缝的收缩情况，若上冠法兰下凹恢复的较快，此时焊缝也收缩的较快，需要增加抗拉板降低焊接电流；若上冠法兰下凹恢复的较慢，此时焊缝也收缩的较慢，需要适当割除抗拉板并升高焊接电流；按一定的焊接顺序反复进行上述过程直至末层，此时上冠法兰面下凹值固定在0～0.07mm/m的范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下环的焊接工艺如下：

首先将下环分成七段进行封底焊，焊接电流控制在115～135A范围内，采用分段退步焊的方法进行，由两名焊工在下环合缝内侧施焊，一名焊工从上至下退步焊前四段，一名焊工从第五段开始退步焊后三段，两名焊工同时进行，封底焊完成后在外侧清根并进行探伤检查，然后在下环的内外侧各一名焊工采用相同的电流、焊速和方向焊接第一层，两名焊工用退步焊的方法从下环的第六段、第七段开始焊，然后再同时从第一段退步焊到第五段，为避免对弧，一侧先起弧10～30mm后，另一侧再起弧焊，焊接电流为120～150A，根据变形情况适当调整焊接电流，为控制层间温度，要求分班连续作业，内外侧同时反复进行直至第六层，从第七层开始从上至下退步焊至末层，最后由下至上盖面，各层接头应错开20～40mm，每焊一条焊道，用风铲锤击焊缝，彻底清理飞溅、焊瘤和夹渣，用放大镜检查焊缝的裂纹、气孔、夹渣等缺陷，每焊一层，进行一次全面检测，并作好记录，同时根据变形情况及时调整下环焊缝内、外焊接顺序、焊层厚度及焊接电流，以控制焊接变形，在下环焊接中，应根据上冠法兰面下凹值的大小、焊缝不同部位的收缩情况，以及冷却后焊缝的收缩等因素作出判断，正确及时地割去各个部位的抗拉板及楔形块。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下环的焊接工艺如下：

首先将下环分成五段进行封底焊，焊接电流控制在115～135A范围内，采用分段退步焊的方法进行，由一名焊工在下环合缝内侧从上至下退步焊，封底焊完成后在外侧清根并进行探伤检查，然后在下环的内外侧各一名焊工采用相同的电流、焊速和方向焊接第一层，两名焊工用退步焊的方法从下环的第五段开始焊，然后再同时从第一段退步焊到第四段，为避免对弧，一侧先起弧10～30mm后，另一侧再起弧焊，焊接电流为120～150A，根据变形情况适当调整焊接电流，为控制层间温度，要求分班连续作业；内外侧同时反复进行直至第十五层，从第十五层开始焊段逐渐减少，最后由下至上盖面，各层接头应错开20～40mm，每焊一条焊道，用风铲锤击焊缝，彻底清理飞溅、焊瘤和夹渣，用放大镜检查焊缝的裂纹、气孔、夹渣等缺陷，每焊一层，进行一次全面检测，并作好记录，同时根据变形情况及时调整下环焊缝内、外焊接顺序、焊层厚度及焊接电流，以控制焊接变形，在下环焊接中，应根据上冠法兰面下凹值的大小、焊缝不同部位的收缩情况，以及冷却后焊缝的收缩等因素作出判断，正确及时地割去各个部位的抗拉板及楔形块。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于施焊前上冠法兰的下凹值控制在0.2～0.3mm/m，下环顶开间隙为5±1mm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于下环和叶片的收缩变形控制是靠调整拉板、楔形块和焊接电流，抗拉板数量为3～4条。

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