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1、贯流式机组转轮室焊接 陈 松、李俊卿 （浙江富春江水电设备股份有限公司） 摘 要 摘 要 本文着重论述我公司制作完成的苍溪电站贯流式水轮机转轮室在制造过程中的焊接技术以及在焊接过程中的控制变形，通过研究、实践，确定转轮室的最佳焊接工艺及马氏体不锈钢材料的焊接方法，为今后贯流式水轮机转轮室制作及同种材质材料焊接积累经验。 。 关键词关键词 苍溪电站 贯流式水轮机 转轮室 马氏体不锈钢 焊接 Welding of Tubular turbine Discharge ring Abstract: Abstract: This Thesis focuses on the welding technol
2、ogy and deformation control in the production process of welding of Tubular Turbine Discharge ring of CangXi power plant , through the research, practice and then determine the best wleding method of Discharge ring and martensitic stainless steel which accumulated welding experience for the producti
3、on of Tubular Turbine discharge ring and same material welding. Keywords: Keywords: CangXi power plant, tubular turbine Discharge ring, martensitic stainless steel ,welding 1 1 引言 引言 转轮室是水轮机的重要工作部件，在机组运行中承受巨大的水力冲击、振动，转轮室通流部分的内衬将受到严重的气蚀、磨损破坏，直接影响到机组的效率、出力与正常运行。为此，近数十年来国内外的科研部门及制造厂都在设计结构、选材、制造工艺上采取多种措
4、施，以改善和提高转轮室的质量。 2 2 苍溪电站水轮机转轮室概述 苍溪电站水轮机转轮室概述 四川嘉陵江苍溪电站为灯泡贯流式水轮发电机组，装机 3 台，总装机容量 66 MW，单机水轮机额定功率 22.7MW，额定水头 6.1 m。转轮室分两瓣，为避免间隙空蚀，整个转轮室壳体采用马氏体不锈钢材料。在转轮周围的转轮室内表面加工成球面，转轮室内壁与叶片边缘间隙均匀。转轮室采用钢板模压结构，分瓣结合面采用法兰连接，并有可靠的止漏措施，转轮室与尾水管里衬之间设伸缩节。苍溪转轮室壳体采用 ZGOCr13Ni5Mo 材料，ZGOCr13Ni5Mo 的化学成份及机械性能见表 1。ZGOCr13Ni5Mo（13
5、-5）为 Cr-Ni 系低碳马氏体不锈钢，含碳量低、铬镍含量较高且控制严格，夹杂含量限制也较低。 表 1 母材（ZGOCr13Ni5Mo）化学成份及机械性能 表 1 母材（ZGOCr13Ni5Mo）化学成份及机械性能 C Mn Si Cr Mo V Ni W Cu S P 化学成分% 0.03 1.00 1.00 11.5-13.50.4-1.00.034.0-5.50.50.5 0.025 0.03s(MPa) b(MPa) (%) (%) Akv(J) HB 机械性能 750 850 16 50 60 221-330 3 3 转轮室焊接工艺评定 转轮室焊接工艺评定 31 焊接材料及焊接方法
6、选择 31 焊接材料及焊接方法选择 我公司焊接转轮室的壳体立焊缝时选用伯乐410NiMo焊丝(由Bohler焊接集团提供)打底及中间层、HS13/5L焊丝（由哈尔滨焊接研究所提供）盖面，焊丝的化学成分及熔敷金属性能见表2、表3，伯乐410NiMo焊丝具有优异的焊接性能及抗裂性能，哈焊所HS13/5L焊丝具有很好的抗疲劳裂纹和汽蚀磨损性能，采用富氩混合气体保护焊焊接。 表2 伯乐410NiMo焊丝化学成份及熔敷金属性能 表2 伯乐410NiMo焊丝化学成份及熔敷金属性能 C Si Mn P S Cr NiMo 化学 成分 0.02 0.65 0.7 0.010 0.010 12.24.8 0.5
7、0 试验温度 s(MPa) b(MPa) (%) Akv(J) 熔敷金 属性能 20 680 800 15 47 表3 哈焊所HS13/5L焊丝化学成份及熔敷金属性能 表3 哈焊所HS13/5L焊丝化学成份及熔敷金属性能 C Si Mn Cr Ni Mo 化学 成分 0.02 0.45 0.7 13 5 0.50 试验温度 s(MPa)b(MPa) (%) Akv(J) 熔敷金 属性能 20 550 760 15 50 32 焊接工艺评定 32 焊接工艺评定 对接接头的诸多焊接参数是通过合格的焊接工艺评定确定的，我公司严格按照ASME标准进行焊接工艺评定。 焊接工艺评定标准采用较通行的ASME
8、锅炉及压力容器规范第IX卷“焊接和钎接评定”。母材选用厚40mm的ZGOCr13Ni5Mo钢与ZGOCr13Ni5Mo钢，接头形式、焊接层数及焊道顺序如图1所示，横焊。电源极性为直流反接，焊丝直径1.2mm，焊丝伸出长度1520mm,采用95%Ar与5%CO2混合气体保护，气体流量1520L/min， 最高层间温度250， 预热温度100150， 焊接完成后退火,升温至600620后保温6小时后炉冷。工艺评定采用的工艺参数见表4。 表 4 焊接工艺参数 表 4 焊接工艺参数 焊层 焊接电流I（单位：A） 焊接电压U（单位：V） 焊接速度（单位：cm/min） 19 240280 3032 10
9、20 109 210280 3236 1020 试板焊接后按照ASME标准进行试件的制备，共制作4根拉伸试样、4根弯曲试样、6根冲击试样，焊接工艺评定合格的接头性能见表5。由表5可知,焊接接头的力学性能达到预期目标，根据ASME标准判定混合焊丝用97.55%Ar与2.5%CO2混合气体保护焊接ZGOCr13Ni5Mo+ZGOCr13Ni5Mo马氏体不锈钢对接接头所获得的接头力学性能合格，满足使用性能要求。 表 5 焊接接头力学性能试验结果 表 5 焊接接头力学性能试验结果 拉伸试样，b(MPa) 弯曲试样，侧弯180 冲击试样，Akv(J) 焊缝 母材 1 2 3 4 焊缝区 热影响区 840
10、 840 840 840 合格 合格合格合格85 89 76 138 138 144 4 4 转轮室焊接变形及控制 转轮室焊接变形及控制 41 转轮室变形 41 转轮室变形 从结构件制造工艺来看，造成转轮室变形的原因，主要来自三个方面：即焊接热应力、残余应力和外力。 转轮室在焊接过程中，对金属材料是一种不均匀的加热和冷却。焊接时，加热的热源是移动的高温电弧，焊缝和热影响区金属温度很高，金属受热膨胀，但又受到常温金属的阻碍和抑制，便产生了压缩塑性变形。 转轮室焊接变形程度与施焊时热源的输入能量成正比。 焊接变形主要是局部的受热和冷却而导致的，焊缝区的金属由于温度高，填满焊缝时处于膨胀状态，且受两
11、侧金属的牵制而与板材边缘保持长度一致， 但冷却后焊缝金属收缩量大， 但由于焊缝与板材已连成一个整体，各部位变形相互牵制，所以冷却后焊缝始终是受拉应力，而板材受压应力。而这种集聚在焊件中的内应力，如果不消除，将导致产品的变形。 残余应力主要为焊接残余应力和成形加工残余应力， 当工件某一部位施焊结束后， 其焊缝金属由膨胀转为收缩，但其又受到常温金属的限制，这时便产生了焊接残余应力。 外力引起的变形主要指组装、焊接过程中由磕、碰、摔、撞或过载引起的异常变形。 42 转轮室变形控制 42 转轮室变形控制 针对焊接的这种特性， 采用以下防止及消除焊接应力的措施： 选择合理的焊接顺序， 焊接时，尽量让焊缝
12、自由的收缩，而不受较大收缩约束或限制，其顺序为：焊接前全面整体加固焊，加固焊的焊接顺序为：先焊各环向缝、自下往上、从中间向两侧施焊；分段跳焊；正式施焊的顺序与上相同、焊接对称施焊，采用小规范、多层多道焊；焊接过程中检查变形形况以调节焊序达到有效控制变形。苍溪转轮室壳体在焊前清理坡口清洁，预热 100-150，内侧用伯乐 410NiMo 焊丝打底焊，高度 18mm 左右，然后在外侧碳弧气刨清根打磨，用伯乐 410NiMo 焊丝完成外侧焊缝1/2-2/3 后，再用哈焊所 HS13/5L 焊丝焊内侧焊缝（留 1/3），接着再用哈焊所 HS13/5L 焊丝完成外侧焊缝的焊接及内侧焊缝，并要求对称布置焊
13、工。焊接采用小规范，多层多道从下向上的方向分段退步焊，焊接过程中每层风铲振动。焊后后热处理 200-300X3h。后热结束后，工件冷却至常温 UT 探伤，从预热开始到后热处理结束连贯完成。 既然焊接变形是由于残余应力导致的， 故可以从消除残余应力的方面来考虑进行改善， 防止和消除焊接变形的措施如下：1、采用焊前刚性固定；即采用强制手段来约束焊接变形，但仍会有较大的残余应力， 去除焊接约束后， 焊件会出现小量的回弹, 转轮室在焊前用工字钢按二半园加 K 型工艺支撑焊固，可以有效控制焊接变形；2、采用合理的焊接规范；焊接变形一般随焊接电流的增大而增大，随焊接速度的增大而减小；3、选用合理的焊接顺序
14、，如对称焊、分段退焊。 43 转轮室焊接注意事项 43 转轮室焊接注意事项 1、焊前预热。由于母材ZGOCr13Ni5Mo及焊材为马氏体不锈钢，虽然马氏体不锈钢具有高硬度、高耐磨性、耐疲劳特性、耐热性以及高耐腐蚀性等优点，但马氏体不锈钢在焊接时有淬硬、开裂倾向，且马氏体不锈钢的导热性差、线膨胀系数大，焊接残余应力大，冷裂倾向很高，其晶粒粗化倾向较大，可能导致塑性下降，如果焊接处刚度大，焊接过程含氢量高，当从高温直接冷却至120100时,很容易产生冷裂，故焊接前要求预热。因此在转轮室焊接过程中，必须保证焊接焊缝前预热至100150。 2、焊接保护气体。根据文献1、3介绍，由于纯Ar气体保护焊,电
15、弧不稳,成形差、熔深浅，焊道边缘不齐，摊不开，为了改善电弧、成形及熔深，采用混合气体保护的方法，对于混合气体保护焊来说， 混合比的选择对焊接工艺性能、 焊丝合金元素烧损以及接头机械性能影响很大，在Ar气中加入少量氧化性气体对电弧稳定、 焊缝成形及熔深有一定改善作用， 但氧化性气体的增多，会使合金元素烧损增加，接头的冲击韧性降低。我公司用97.5%Ar+2.5%CO2气体保护焊接，焊缝的熔透好，焊接性能达到技术要求。 3、焊接线能量控制。马氏体不锈钢焊接的主要问题是冷裂纹，尤其是工件尺寸较大，结构复杂，散热面多，冷却较快的情况下极易出现冷裂纹。加大线能量，有利于避免焊后冷裂纹，但线能量过大，也会
16、导致马氏体不锈钢晶粒粗化，韧性下降，所以应当适当控制线能量的输入。在焊接转轮室马氏体不锈钢对接立焊缝时，我公司严格控制线能量输入为510KJ/cm。 4、焊接过程中的后热处理。后热处理是指焊接工作停止后，立即将焊件加热到一定温度保温一定时间， 使焊件缓慢冷却下， 以加速氢的逸出的一种焊接热处理工艺。 在焊接转轮室过程中，需要暂时停止焊接时，立即将焊接焊缝加热至200，保温2小时后缓冷，使焊缝中的扩散氢尽快逸出，避免氢的积聚，防止氢致冷裂的产生，实践证明暂停时立即后热处理冷却至室温焊缝不会产生冷裂纹。 5 结论5 结论 一、 母材ZGOCr13Ni5Mo的马氏体不锈钢对接焊接采用伯乐410NiMo焊丝、 哈焊所HS13/5L焊丝混合焊丝焊接，经焊接工艺评定，接头性能满足指标要求。 二、在实际焊接转轮室时，严格按照规定的焊接参数施焊，完全可以保证转轮的焊接质量及尺寸要求。 三、 浙江富春江水电设备股份有限公司采用
