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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/1/11 14:01:48
摘要：阐述了分析和处理二滩水电站施工中出现的水轮机连接板焊接裂纹的全过程,旨在对今后的有关工程提供参考。
关键词：二滩电站;水轮机;连接板;焊接裂纹;处理;原因分析
二滩水电站的水轮机由加拿大GE公司制造，安装工艺也由该厂家制定。水轮机座环和基础环没有如常规设计那样直接连接，在它们之间增加了一个国内机组不常见的部件——连接板，因此座环和基础环是通过与连接板焊接连成一体进行连接，见图1。从而简化了基础环结构，其高度和重量均减小了，还减小了制造工作量,降低了机加工难度并方便了运输，但是,加大了现场安装难度和工作量。由于座环、连接板、基础环的含碳量最高、厚度
差大，存在一些局部结构缺陷，在首台机连接板初次焊接时，由于对其认识不足，导致连接板处近50m焊缝全部开裂，虽经两次修复，但焊缝均边焊边裂。后来，GE公司应业主和监理工程师的要求，从加拿大总部派了焊接专家到现场处理裂纹，在中国承包商和监理工程师的协助下，经反复摸索修改了焊接工艺后，处理历时1个月时间才修复成功。连接板焊接裂纹处理是二滩电站水轮机埋件安装过程中遇到的最大的难题。现将相关过程简述于后。
1主要技术数据及结构
1.1主要技术数据
额定水头：165m
额定出力：582MW
额定流量：365m3/s
座环内径：Ф7830mm
座环环板厚度：206mm
基础环上环厚：55mm
1.2结构特点
连接板由4块壁厚为66mm，外径Ф7694mm，高315mm的分瓣圆弧圆筒组成，其上端面为底环和水压试验筒的密封面（焊后打磨水平至0.25mm以内）。连接板在基础环上组装后，其分瓣周向组合缝无间隙，与座环的径向组合缝也无间隙，焊接期间用幅型支撑架固定，见图1。
1.3相关部件理化性能参数
主要部件的材质理化性能参数见表1。
主要部件的材质、焊接时选用的焊条、焊接控制温度见表2。
2连接板原焊接工艺及首次焊接过程
座环、基础环、连接板调整固定后，即开始焊接连接板。连接板与座环和基础环间联接采用角焊缝①、②、③、④，焊缝高度分别为40mm、20mm、20mm、50mm。施焊顺序为①③②④①，最后再焊接分瓣周向组合缝，见图2。由8名焊工白班施焊。施焊采用分段、退步、多层窄道焊接工艺，将每一个角焊缝均分为16段，每段长300～400mm，由每一分段的中心向两侧左右对称交替焊接。当6号机连接板④号缝焊高至10mm时，②、③、④整圈焊缝全部贯穿开裂，连接板内倾与座环环板之间出现长2m，宽2mm的径向间隙。在随后进行的两次修复过程中甚至出现了随焊随裂的现象。
3连接板焊接开裂原因分析
加拿大焊接专家和中方技术人员经反复研究后认为：连接板焊缝裂纹为延迟裂纹。连接板与座环环板材质同为ASTMA516，属于含碳量较高的高强钢，易出现延迟裂纹。一般有三个方面的因素(淬硬倾向、拘束应力、氢的含量)可能导致延迟裂纹产生，因此，可从这三个方面查找原因。
3.1连接板的淬硬倾向
(1)连接板属高强钢，存在较明显的淬硬倾向,可焊性差。A516为中低温压力容器用钢板，含碳、硫、磷量较高，由表1计算得出碳当量为Ccp=0.48，裂纹敏感系数Pcm=0.37，具有较明显的淬硬倾向。高强钢的淬硬倾向是产生延迟裂纹的主因，淬硬倾向越大,越易产生延迟裂纹，焊接时只要控制焊缝熔池从800℃到500℃的冷却速度，就能使钢材减少和避免淬硬组织，从而使焊缝具有与母材相近的强度、韧性和塑性。一般情况下Pcm在0.23以下不致淬硬，而大于0.23则须采取预热焊缝、保持层间温度、减缓焊缝的冷却速度等措施，才能使焊缝组织不致淬硬，不诱发冷裂纹。材质为ASTMA516Gr55（380）的连接板焊接的预热温度110℃、层间温度125℃，见表2。经查阅相关焊接手册得知温度偏低。
(2)连接板加热方式不当，助长了淬硬倾向。制造厂家制定的焊接工艺只有提纲性的温度控制要求,而无具体的加热板布置方式，可操作性不强。6号机连接板焊接时，只在连接板焊缝的周向内侧和座环环板顶面各布置一圈远红外加热板加热，见图2。由于连接板外侧、座环底面无加热保温措施，热量大量散失，难以达到要求的温度。座环环板与连接板厚度差较大,为206∶66，二者焊接时无法同时加热至同一温度，二者之间存在温度梯度，产生温度应力及助长淬硬倾向。据估算温差为100℃时，温度应力达到2MPa，径向自由变形为3～4mm。
(3)人为的加剧淬硬倾向。由于焊接温度高，焊接条件恶劣，在连接板焊接过程中,一些焊工存在掀开加热履带和降低预定加热温度现象。
3.2连接板拘束应力较大
(1)连接板结构形式造成较大拘束应力。座环、基础环两端固定以后才能焊接连接板，连接板上下两端焊缝①、②焊接后，形成封闭焊缝，客观上相当于一个凑合节焊接，轴向焊接应力较大。
(2)连接板的局部结构不合理增大了拘束应力。连接板焊接过程中温度上升，热膨胀导致周向伸长，但连接板周向组合缝在设计上未留间隙，使周向伸长受限而被迫径向膨胀，从而增加了拘束应力。
(3)施焊顺序的不尽合理使拘束应力进一步增大。在焊缝①焊接后，连接板向内倾斜，导致连接板与座环下环板出现3～5mm周向间隙，随后焊接焊缝④时，出现焊接应力较大现象。
3.3后热、消氢措施不足
后热时间较短、缓冷措施不足。焊后保温温度较低,约100℃;保温时间较短，只有8h，以后是空冷至室温。
4焊接修正工艺
针对上述因素，有关人员决定刨除开裂焊缝，砂磨焊缝周围的渗碳层和母材微裂纹，经PT探伤确认裂纹等缺陷消除后，对连接板焊接工艺作出了如下调整，重新焊接连接板。
4.1减缓连接板的淬硬倾向
(1)提高预热温度至115～140℃和层间温度至150℃。
(2)在连接板外侧、座环环板的底面、基础环顶面各增加布置一圈加热板，对座环、基础环和连接板焊接区域整体加热，尽量减小连接板与座环环板的温度差，见图2。引进全自动传感温控仪加强温度差和温度场的控制。
(3)实行两班不停顿地焊接，避免焊道反复升降温。
(4)杜绝人为的加剧淬硬倾向，加强执行工艺的力度。在施焊加温过程中严禁掀开加热履带和降低加热温度。
4.2改良连接板结构，调整焊接顺序，减小连接板拘束应力
(1)把连接板周向组合缝间隙增至3～4mm，焊接时的径向变形转化为周向自由伸长。在6号机连接板与座环环板裂开径向间隙处加垫，通过减小径向变形来达到目的。
(2)焊缝焊接顺序进行调整，采用内外、上下对称、分段、退步、多层窄道焊，先同时焊接①③焊缝—→再同时焊②④焊缝—→最后满焊①焊缝。焊接时注意监测变形，通过调整焊接顺序控制变形，减少焊接拘束应力。
(3)除面层、底层外，每层焊道焊后必须用风镐捶击消除应力。
4.3加强后热、消氢措施
焊后保温温度提高到100～125℃，保温时间延长至24h，然后盖石棉被缓冷至室温。
在6号机连接板按上述工艺焊接修复后,经探伤检查再未出现裂纹，5号～1号连接板按上述工艺焊接后，均在10d内一次焊接成功。现二滩电站6台机已投运两年，经停机检查连接板焊缝处均未发现裂纹。
5结语
近年来,国内在建大型和超大型电站时，金属结构用超大型尺寸部件较多。受运输条件的限制，水轮机埋件一般都是分瓣制造，从而使需焊接组合的部件增多，如三峡电站水轮机也采用了连接板这种结构，且大多含碳量较高，因此，随着结构与常规部件的不同，须针对其特点制定出适合的焊接工艺才能保证一次焊接成功，避免延误工期和留下安全质量隐患。在二滩电站水轮机连接板焊接过程中，通过改良焊接件局部结构、控制温度差和温度场、调整焊接工艺的处理思路,对这些电站将有一定的借鉴意义。
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