1、2023.No.3四 川 水 利浅谈白鹤滩水电站座环现场焊接精品控制工艺苏 大，潘 杰(中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213)【摘要】根据白鹤滩水电站左岸座环的结构特点及焊后质量检测标准，以工程需求为基础，针对座环现场焊接过程导致的座环变形难题提出了新的控制工艺，以业主方提出的优良标准为施工要求，保证座环机加工前的圆度、水平度等数据达到精品工程要求。文章对白鹤滩水电站百万机组座环现场焊接过程控制工艺进行了阐述，为座环组焊高精度控制提供借鉴经验。【关键词】座环焊接控制工艺水平度圆度中图分类号:TV547.6文献标志码:B文章编号:20951809(2023)030059051工程概
2、况白鹤滩水电站是仅次于三峡水利枢纽的中国第二大水电站，是目前在建的世界最大水电站以及世界在建的综合技术难度最大水电工程，也是唯一一座实现设备全部国产化的水电站。白鹤滩水电站的开发任务以发电为主，电站总装机容量16000MW，左、右岸地下厂房各布置 8 台单机容量 1000MW 的水轮发电机组。白鹤滩水电站左岸 8 台座环由东方电机有限公司 制 造，单 台 座 环 外 形 尺 寸 为 14.16m 3.724m，共分4 瓣，单瓣最大尺寸7.7m9.899m3.724m，最大单瓣重量 136.3t，总重 467.1t，8 台机共 3736.8t。2质量控制要求厂家提供的座环各加工面均有 5mm 预
3、留加工余量，用于现场机加工。为了有利于后续座环在机坑内的机加工进度和质量，我们严格执行白鹤滩精品工程要求，按照中国长江三峡集团有限公司质量标准 金沙江白鹤滩水电站 1000MW 水轮发电机组安装质量检测标准 进行座环组圆、焊接变形控制，质量检测标准见表 1。表 1三峡集团有限公司质量检测标准序号质量检测项目合格优良备注1上、下法兰圆度21.52上、下法兰水平偏差32机加工前(单位:mm)3座环焊接控制工艺3.13.1座环焊接变形控制座环焊接变形控制3.1.13.1.1控制要点控制要点在座环整个焊接过程中，按照施焊部位可以分为上下环板、上下立圈和下法兰、过渡板、导流板/环、加强筋板。在上下环板焊
4、接结束后，座环已经成为整体，后续焊接几乎不会对座环圆度和水平度造成影响，因此，座环焊接变形的控制即是座环上下环板的焊接变形控制，其为 245mm 板厚的抗层状撕裂钢板 SXQ500DZ35，除钝边外焊缝高度上、下侧一致为 95mm(见图 1)。图 1座环上下环板坡口及定位块布置3.1.23.1.2焊工布置焊工布置白鹤滩水电站座环分 4 瓣，为上下环结构，单台机配置 8 名焊工分布在 4 个合缝位置对称焊95苏 大，潘 杰:浅谈白鹤滩水电站座环现场焊接精品控制工艺2023.No.3接，焊接速度必须尽可能地保持一致，防止局部焊接过快或者过慢引起的变形。3.1.33.1.3温度控制温度控制(1)焊前
5、预热。上下环板、过渡板预热温度为 100 150，采用履带式电加热方式，至少要覆盖焊缝两侧从坡口起 100mm 的宽度范围，上下环板预热温度宜120，且保证各合缝位置的预热温度差值不超过 15。(2)座环正式焊接时，尽量保持不间断连续焊接，若中途中断焊接时，立即对焊缝进行保温，保温温度120。焊接过程中不间断对层间温度进行控制，并保证层间温度不超过 250，且不低于预热温度。(3)焊后消氢。过渡板焊缝以及过渡板与环板焊缝，在焊后且温度未低于 100 前立即进行后热消氢处理，后热消氢温度为 250，保温 4h(最大升温速度 80/h，最大降温速度 50/h)。上下环板焊缝焊后立即进行消氢处理，温
6、度250 300，保温不少于 4h1。3.1.43.1.4线能量线能量焊接线能量要求33kJ/cm，严格控制线能量对于减少焊接变形和控制焊接质量非常重要。3.1.53.1.5定位焊要求定位焊要求焊接定位焊时，安排焊工按照规定的焊接顺序进行，定位焊位置为首、中、尾各一段，长度为150mm200mm，厚度为 10mm15mm，分三层使用 3.2mm 的焊材施焊。在定位焊焊接结束后，对座环圆度、水平度进行复测，并根据复测结果重新调整座环以满足精品工程要求，二次调整完成后，点焊楔子板，开始正式焊接。3.1.63.1.6焊接顺序焊接顺序原则上，上下环板的焊接方向为从外圈向内圈焊接，焊缝分为三段，先焊接中
7、间段(1 段)，再焊接外圈段(2 段)，最后焊接内圈段(3 段)，上下环板的焊接方向如图 2、图 3 所示。图 2座环上环板焊接顺序方向图 3座环下环板焊接顺序方向3.1.73.1.7正式焊接正式焊接对称分段退步焊接，焊缝分为 3 层，每层焊缝厚 30mm35mm，各位置焊缝厚度应保持尽可能一致;焊缝在焊接过程中，除打底焊和盖面焊外，其余均需充分锤击，减小残余应力2;每焊接完成一道焊缝即通过刨、铲、磨等方法清除焊道表面的所有熔渣或飞溅物，直至露出完好金属，再进行后续施焊。在焊缝焊接至 1/31/2 时，可清除定位块，过程焊接顺序允许根据圆度数据进行改变。焊缝采用碳弧气刨清根后，用砂轮机除去渗碳
8、层，清理坡口内所有飞溅和熔渣显露金属光泽，然后进行 MT 检测，合格后方可进行下一道工序。座环环板交替焊接顺序如图 4 所示。图 4座环环板交替焊接顺序3.23.2座环焊接质量控制座环焊接质量控制3.213.21焊材使用焊材使用打底层和盖面层使用 3.2 焊芯的焊材。使用前，焊材必须经过目视检查、焊条烘焙后方能使用;使用时，必须使用接好电源的保温桶领用，并且随取随用;焊接完成后，剩余焊条应放入烘焙箱单独存放待下次使用，或者作报废处理。3.2.23.2.2坡口清理坡口清理焊接前，坡口及其两侧 20mm 范围内的毛刺、062023.No.3四 川 水 利铁锈油污等应该彻底清理干净;焊接过程中产生的
9、药皮必须及时处理3。3.2.33.2.3定位块的处理定位块的处理每个合缝位置布置有 2 块定位块，在焊接过程中，该位置的预热温度应作为重点监控位置。定位块位置的焊接待定位块刨除后再进行，为了保证焊接质量，在焊前必须对该位置进行充分的打磨，在焊接过程中，使用放大镜对焊缝进行多次检查。在定位块刨除时使用碳弧气刨机，在刨除时，预留至少 5mm 余量，通过打磨清除，最后进行PT/MT 检查。该方式增加了定位块处理的工作量，但是可以有效地避免伤及母材。3.2.43.2.4焊层接头焊层接头每次焊接 2 层 3 层，总厚度不超过 10mm，焊层接头应错开布置，避免接头处出现缺陷。3.2.53.2.5消氢要求
10、消氢要求高强钢焊缝焊接后立即进行消氢处理，温度250 300，保温时间不低于 4h。从焊接开始直至消氢，焊缝温度80，再缓冷至室温。4焊接过程控制手段4.14.1座环变形控制难点座环变形控制难点(1)现场焊接对座环水平度、圆度的影响是最大的难点;(2)焊接位置空间狭小，焊工作业困难，施工难度大;(3)座环外形大、重量大，板材厚、预热温度高，圆度控制难度大;(4)焊缝均为 类焊缝，质量要求高(PT+UT+TOFD)。4.24.2监测方式和样点布置监测方式和样点布置4.2.14.2.1监测方式监测方式在测量时，以上环板的上平面为水平度基准测量面，布置 16 个测量点并做好标记(去除样点位置周围油漆
11、及杂物，并做醒目标识);水平度使用测 微 水 准 仪 进 行 测 量，仪 器 测 量 精 度 为0.10mm，估读到 0.01mm。在上下环板内圆均轴向布置 16 个测量点，测量点位置与水平度测量点位置对应;圆度使用内径千分尺和电测法配合测量。4.2.24.2.2样点布置样点布置座环分为 4 瓣，16 个测量点按照每个分瓣 4个测点布置，每个分瓣均分为 3 等分，两个等分线布置 2 个测点，两个合缝位置距离坡口 150mm 左右布置两个测点，详细布置见图 5。图 5监测样点布置4.34.3过程监测工序流程过程监测工序流程在座环环板焊接过程中，阶段性地进行座环圆度、水平度的监测，每次数据测量前都
12、要使用放大镜进行焊缝检查，并根据监测结果及时修正焊接顺序和焊接方向，监测时机如下:(1)定位打底焊接结束后，进行第 1 次数据测量，并根据测量的数据二次调整，调整完成后加固焊接楔子板;(2)正缝第一层焊接结束后，进行第 2 次数据测量;(3)背缝第一层焊接结束后，进行第 3 次数据测量;(4)刨除定位块，进行第 4 次数据测量，并与第 1 次测量数据对比，确定后续焊接方式;(5)正缝第二层焊接结束后，进行第 5 次数据测量;(6)背缝第二层焊接结束后，进行第 6 次数据测量;(7)正缝第三层焊接结束后，进行第 7 次数据测量;(8)背缝第三层焊接结束后，进行第 8 次数据测量;(9)盖面、封头
13、焊接结束，消氢降温至室温后，进行第 9 次数据测量，此数据即为焊后座环圆度、水平度数据。工序测量过程中，需要特别注意的是:(1)进行数据测量时，焊缝均处于加温状态，不需要进行降温测量，各焊缝温度保持尽可能一16苏 大，潘 杰:浅谈白鹤滩水电站座环现场焊接精品控制工艺2023.No.3致，温差不大于 10;(2)第 1 次测量的数据需与焊前验收数据做对比，作为后续过程测量的参考，有利于分析并确定后续焊接方式;(3)此工序测量的重点在于第 4 次及之后的数据测量结果，在实际操作过程中通过多次试验分析得出，第二层焊缝的焊接若沿同一方向拉通焊接，该合缝位置可产生的最大径向变形为1.5mm 左右;第三层
14、焊缝的焊接对该合缝位置可产生的最大径向变形为 0.6mm 左右。5过程问题及分析在座环施焊过程中，由于有多种原因，都会导致座环的圆度和水平度发生变化，如:定位块刨除、焊接速度差异较大、焊缝熔焊量差异较大、未进行同步对称焊接等。而定位块刨除在座环焊接变形控制中是不可避免的，也是变形最大的。一般来说，定位块的刨除时机越晚，其造成的变形就越小，但是考虑到定位块位置的加温、焊接都极其困难，极易产生缺陷，因此在焊缝第一层焊接完成后即进行了刨除。定位块刨除后，焊接方式的改变是最大的，在工序焊接过程调节中最具有代表性，其他问题导致的变形也可以参照进行处理。5.15.1数据分析数据分析通过八台机组座环定位块刨
15、除的结果来看，水平度前后变化值最大为 0.1mm，在可控范围内，说明在焊量达到 30%时，定位块的刨除对座环的水平度影响较小。圆度在定位块刨除前后变化较大，甚至有合缝位置达到 1.0mm 的情况出现，由此可见，定位块的刨除对圆度的影响极大，但施工过程中，此工序不可控，只能通过调整焊接方式进行处理。以 3#机组座环定位块刨除前后的数据对比为例:3#机组座环在定位块刨除后，座环上环板的圆度已达到 1.52mm，超过了精品工程标准要求，变化量为 0.88mm;下环板的圆度为 0.96mm，变化量为 0.55mm，变化量不同，但是变化趋势一致。通过对正缝、背缝第一层焊接过程分析，产生的原因有两个:(1
16、)下环板的定位块在正缝，而上环板的定位块在背缝，均为先焊接正缝第一层、再焊接背缝第二层，因此上环板的焊接难度偏大，焊接速度偏慢，导致上环板焊接线能量相对下环板偏高，使得上环板变形大于下环板，而变形的方向则是因为焊工的焊接水平导致的;(2)根据图 3 所示焊接方向，下环板背缝中间位置的焊接方向与其他部位相反，这是下环板焊接变形小于上环板的主要原因。5.25.2处理措施处理措施4#、5#点位置和 12#、13#点位置均处于合缝位置，半径为变大趋势;8#、9#点位置和 1#、16#点位置均处于合缝位置，半径为变小趋势。因此，在正缝第二层焊接时，焊接方式改变:(1)对于 4#、5#点和 12#、13#点合缝位置半径变大，焊接方式由分段由外往里焊接变为拉通由外往里焊接;(2)对于 8#、9#点和 1#、16#点合缝位置半径变小，焊接方式由分段由外往里焊接变为分段由里往外焊接;(3)首次改变焊接方式，熔覆量根据经验判断为厚度 15mm 左右，在焊接完成、焊缝温度尽可能一致后再进行测量，并根据测量结果确定后续焊接方式。6工艺控制结果6.16.1变形控制变形控制白鹤滩左岸 8 台套座环焊后的上环板圆度
