滩坑水电站水轮机蜗壳安装与焊接质量控制

摘要：滩坑电站为大型混流式水轮发电机组,蜗壳材料采用WDB620低焊接裂纹敏感性高强度钢。现根据1#～3#机组蜗壳安装、焊接的实际施工情况，整理、总结出滩坑电站机组蜗壳安装、焊接技术要求及质量控制措施。为今后从事类似机组的安装和焊接的技术人员提供参考依据。

关键词：水轮机蜗壳安装、焊接，质量控制。

滩坑水电站是浙江省瓯江流域规划中的一座重要骨干电站，电站位于青田县境内的瓯江支流小溪上，拦江大坝为钢筋混凝土面板堆石坝，坝高162米，是华东目前第一高坝，水库总库容41.5亿立方米。电站以发电为主，具有调峰、调频、调相及事故备用功能，兼顾防洪及其他综合利用效益，是一座具有多年调节能力的大型水电站。

电站共安装3台20万千瓦混流式水轮发电机组，电站总装机容量为60万千瓦，电站年发电量为10.23亿千瓦时。是浙江省目前容量最大的常规水电机组。3台机组已先后于2008年8月15日、2009年1月12日和2009年7月10日并网发电，进入商业运行。

1 机组蜗壳简介

滩坑电站工程每台水轮机的蜗壳共分28节，总重约161吨。包括蜗壳进口渐变段4节，蜗壳的本体段24节（包括两个凑合节），其中蜗壳本体尾部和大舌板均在现场装焊，除18―24管节外，其余管节均为瓦片到货，单节蜗壳需在现场拼装。蜗壳包角为328°。

蜗壳材料为非调制高强钢WDB620，蜗壳进口管节最大直径为φ6200mm，最大厚度40mm，最小厚度20mm，，单节最大尺寸φ6200mm×1453mm，单节最大重量约10t（不含内支撑）。

座环采用带导流板无蝶形边平行式钢板焊接结构，上下环板为16MnR-Z25抗层次撕裂钢板。蜗壳与座环的连接采用过渡板、大舌板结构，座环过渡板采用与蜗壳同材质的WDB620钢板。

2 WDB620钢的焊接性分析

WDB620钢是舞钢厂为适应和满足西电东送项目而研制开发的水电压力钢管、机组蜗壳用60kg级新型低焊接裂纹敏感性高强度钢板。WDB620钢按照日本焊接协会关于CF钢的基本要求,在原CF62、NK-HITEN610U标准基础上,对钢的强韧性进行了更加合理的设计,优化了钢的屈强比(

根据我公司WDB620钢焊接工艺评定试验结果，其预热温度、层道间温度及焊接热输入范围见表1

表1 WDB620钢预热温度、层间温度及焊接热输入

钢号 板厚

（mm） 预热温度

（℃） 层间温度

（℃） 后热

（℃×h） 焊接热输入

（kJ/cm）

WDB620 20-25 50-80 50-200 200-250×2 15-35

＞25-40 90-100 90-200 250-300×2 15-35

＞40 110-120 110-200 250-300×2 15-35

焊条的选用符合以下规定：

1）WDB620钢焊接时应选用焊条型号E6015-G （CHE62CFLH）；

2）WDB620钢与16MnR-Z25钢相焊时，焊条型号E5015；

3 蜗壳单节拼装与焊接

3.1蜗壳瓦片拼装工艺

根据蜗壳单线图和断面尺寸表，在拼装钢平台上标出管节半径R、开口值G、蜗壳的底部、顶部、腰部和各瓦片的相对位置等，作为拼装的基准线。拼装前对坡口进行清理和打磨，使坡口处发出金属的光泽。一般先将大瓦片放置就位，进水端向下，用压码、千斤顶、拉紧器等调整固定，使之与基准线相吻合，之后吊装小瓦片，用压码、楔子板对缝调整，纵缝的接头处要求内壁平齐。各瓦片在拼装时，严禁火焰校形。

瓦片拼装单节后，检查瓦片弧度、腰长差、周长、圆度、开口尺寸等项目符合规范规定。

3.2管节的拼装焊接要点

瓦片拼装接头为不对称双Y型坡口，纵缝两端须设置同材质、相近厚度的引弧板和引出板。为保证蜗壳管节焊后的弧度要求，焊接顺序如下：先焊大坡口侧焊缝，清根在小坡口侧；若组对后接头弧度处于外凸状态，大坡口在内侧时：大坡口焊缝焊满后，再清根焊接小坡口侧焊缝；若大坡口在外侧时：大坡口焊缝焊至1/2，再清根焊接小坡口侧焊至2/3焊缝，视实际角变形情况，交替焊完余下的焊缝；若组对后接头弧度处于内凹状态，大坡口在内侧时：大坡口侧焊缝焊至1/2时，清根焊接小坡口侧焊缝，焊至2/3焊缝时，视实际角变形情况，交替焊完余下的焊缝。若大坡口在外侧时：大坡口焊缝焊满后，再清根焊接小坡口侧焊缝。纵缝焊接采用分段退焊法（分二段焊）。

焊接完成后，按规定进行无损检测，合格后进行蜗壳的弧度、圆度、开口尺寸等校核调整 ，达到要求后加焊内支撑以减小变形值，最后用油漆标明节号，用洋冲打上蜗壳挂装用的记号。

4 蜗壳挂装

4.1蜗壳安装顺序原则：

1）对称平衡挂装，以利于座环的稳定及防止座环水平度超差；

2）先挂装定位节，并以定位节为基准，再依次挂装其余各节，最后配割凑合节以及安装加强板、导流板、进人孔和排水槽等；

3）为防止环缝焊接应力过大，各工作面安装环缝条数不超过正在焊接的环缝两条。

4.2蜗壳挂装顺序：

先吊装26节为定位节开始，向顺时针方向安装到第8节从尾部24节开始向逆时针方向安装至第18节从16节开始向逆时针方向安装至第10节从定位节26节开始进水端向上游安装至直管段27节、28节最后安装凑合节，先装第9节，后装第17节凑合节。

图1蜗壳安装顺序图

4.3定位节的安装要点

蜗壳定位节安装前，先将大舌板挂装就位，按图纸尺寸要求进行调整，仔细加固点焊拉板。利用厂房桥机吊装蜗壳渐变段26节为定位节，通过蜗壳的水平线，座环中心至蜗壳尺寸进行调整，配割与舌板连接处蜗壳，并加固牢固。焊适当挡板，用同样方法吊装25节。其它定位节吊装前，在座环上、下过渡板上定位节进行断面位置标识，并点焊一块挡板与控制点用钢线连成控制线。

在定位管节开口的上、下各焊二块搭接板，将蜗壳挂在座环上、下过渡板上。

蜗壳定位节吊装就位后，焊适当的拉紧器或千斤顶等调整座环与蜗壳上蝶形边的对装间隙和错边量，错边量应小于蜗壳最小板厚的10%，且不大于4mm，间隙0-4mm。

先对装上蝶形边，再根据开口和高程调整定位节，再对装固定下蝶形边。

4.4其它管节的安装

同定位节安装方法相同，先焊接各管节搭接板，管节就位后，用拉紧器等调整焊缝的间隙2-4mm，防止间隙过大或过小造成压缝时拉不拢或顶不开现象。根据相邻管节的实际周长差，用压缝器调整错边使之均匀地分布在整条焊缝上，局部最大错边值不应大于板厚的10%。环缝对装应从上、下蝶形边开始，并逐渐向腰线压缝。调整管口高程和最远点半径等均符合要求后，进行定位焊，定位焊要在大坡口内。复测高程和最远点半径，并做好记录。

4.5带过渡板管节的安装

带过渡板管节吊装就位时，在带过渡板管节出口断面和定位节进口断面管口腰线上、下各焊一块定位档板，及上、下中心点焊两对托板。

调整间隙、按测量的周长和计算修正值，确定错边量。错边量δ（半径差值）推荐计算公式如下：

δ=R1-R2=（L1-L2）×180/（π•θ）=ΔL•R/L

式中：R1-为前一节出水端周长 ；R2-为后一节进水端周长

θ为管节周长所对应的圆心角；ΔL为周长差值

R为对接环缝设计半径值；L为对接环缝的设计周长值

拼装时，先将管节最外缘中心对齐并调好尺寸，从腰线开始向蜗壳开口处压缝。小块过渡板（舌板）先进行试装，无误后修出坡口，再压缝安装。

4.6凑合节的安装

1）凑合节的安装应在其它各管节环缝焊接结束后进行，其安装顺序：底部瓦片中部瓦片上部瓦片。

2）凑合节的配割方法

将瓦片覆盖在两侧管节上，用压缝器与相邻管节压紧，并沿管节两侧实际管口划出切割线，凑合板尽量向出口断面放置，以求环向长度较大；采用管道切割机由内向外切割，切割时，先割一边，压好缝后，再切割另一侧，从蝶形边向腰线方向切割压缝，切割一段即压一段，以防整体切割完后引起变形；瓦片配割好之后，纵缝先定位焊，后点焊环向焊缝。

3）凑合节的焊接坡口设置

①纵缝腰线以上大坡口在外，小坡口在内；腰线以下大坡口在内，小坡口在外，与环向焊缝坡口形式设置相同；

②环向缝对位于座环水平线上的，正缝为过流面小坡口，位于水平线以下的，正缝为非过流面小坡口，反之，背缝均为大坡口。

5 蜗壳焊接

5.1蜗壳焊接顺序原则

①大舌板焊缝焊接②非凑合节环向焊缝焊接③凑合节纵向焊缝焊接④凑合节一侧环向焊缝焊接⑤凑合节封闭环向焊缝焊接⑥上、下蝶形边焊缝焊接⑦加强板、导流环进人孔和排水槽等焊接。

5.2 蜗壳环向焊缝焊接

蜗壳环焊缝焊接与挂装顺序相同，自第一节定位节26节开始按顺时针方向进行，从尾部自导板开始则向逆时针方向逼近。除凑合节4条环缝外，其余各节环缝应随挂装逐节焊接。根据管节的大小，由2名或4名或6名焊工同时施焊，并采用多层多道、对称退步分段焊法。环缝坡口设置双Y形不对称坡口，大坡口在上，先焊仰焊侧的焊缝，即位于座环水平线以上，从管内侧进行焊接；位于水平线以下的，则从管外侧进行焊接，然后从反面清根焊接。

5.3舌板焊接

舌板（板厚70mm）与固定导叶的连接焊缝拘束应力较大，由经验丰富和焊接质量一贯优良的焊工施焊。从舌板的过流面开始焊接，焊接至焊缝1/2时进行清根，根部进行着色（PT）探伤，合格后焊接背面焊缝至2/3时，之后交替焊接余下的焊缝。焊接过程中除根部和盖面层外，其它用风铲逐层锤击消除应力。根部进行探伤前，需对焊缝进行后热处理，后热处理温度和时间要求见表1。

5.4 凑合节焊接

蜗壳凑合节的纵缝和第一条环缝焊接工艺与蜗壳其它纵缝和环缝焊接要求相同。纵缝先焊大坡口，小坡口清根后再焊接。蜗壳凑合节先焊填充量（间隙大）的一道环缝，再焊另一条环缝。凑合节第二条环缝为封闭焊接，拘束应力较大，首层焊道采用叠焊方法，从第二层至盖面前一层止，应使用风铲锤击消除应力。凑合节第二条环缝由2-4名焊工同时施焊，采用“对称退步分段焊法”焊接方法。焊后进行后热消氢处理和缓冷，后热温度与保温时间要求见表1。联接钢管段的凑合节的最后一条环缝，焊接时受拘束应力影响，将直接牵涉到座环变形，实施中编制了专项作业指导书予以工艺保证。

5.5蝶形边焊接

蝶形边焊缝由8名焊工采用”对称退步分段焊法”焊法，焊接时，所有焊工同时施焊，采用的焊接参数要基本相同，焊接方位保持基本对称。先焊接下蝶形边，后焊上蝶形边，所有蝶形边均先焊外侧（即非过流面），然后在内侧（过流面）清根焊接，座环过渡板侧需作14×45°削斜处理。蝶形边焊缝为一类焊缝，焊接时要求连续施焊，焊后进行后热消氢处理和缓冷，后热温度与保温时间要求见表1。蝶形边焊接过程中，加强对座环的水平度监视，根据座环变形情况适当调整焊接工艺。蝶形边焊接顺序见图2

图2蝶形边焊接顺序示意图

5.6 加强板焊接

加强板焊接顺序按下列顺序：①加强板与座环筋板为对接时，先焊座环一侧，后焊与蜗壳相接一侧的焊缝；②加强板与座环筋板为搭接时，先焊蜗壳一侧，后焊与座环筋板搭接一侧的角焊缝；③加强板与蝶形边焊缝十字相交时，距蝶形边焊缝两侧各20mm断开不焊，避免形成交叉焊缝

5.7 导流环焊接

导流环焊接在蝶形边焊缝焊接检查合格后进行。导流环安装时，与座环上、下间联接要平滑过渡。

6 蜗壳焊接质量控制

蜗壳焊后所有的焊缝外观检查合格后进行无损探伤。探伤时机按下列规定：

1）焊接工作全部结束24小时后探伤的焊缝：①蜗壳的纵缝；②蜗壳凑合节纵缝和非封闭环向焊缝；③大舌板与蜗壳连接焊缝。

2）焊接工作全部结束72小时后再进行复探的焊缝：①蜗壳凑合节封闭环向焊缝；②蝶形边焊缝；③大舌板与座环固定导叶的连接焊缝。

蜗壳管节纵缝进行100%射线（RT）探伤，所有环向焊缝及蜗壳与座环的连接焊缝进行100%超声波（UT）探伤。

3）X射线探伤按GB/T3323-2005 《金属熔化焊焊接接头射线照相》标准评定，纵缝应达到Ⅱ级的要求，射线透照质量不应低于AB级；超声波探伤按JB/T4730-2005《承压设备无损检测》标准评定，环焊缝应达到BⅡ级，凑合节封闭焊缝、蝶形边焊缝和耳板与座环固定导叶连接焊缝应达到BⅠ级。

4）探伤前焊缝打磨，蜗壳外侧打磨时，不得伤及母材表面，内侧打磨后与母材光滑过渡且高出0-1.5mm。

5）对超声波探伤有怀疑的缺陷用X射线探伤进行复检；当X射线探伤发现不合格缺陷，如不能确定缺陷的深度时用超声波探伤进行定位。

6）返工后的焊缝，应按原焊缝的质量要求和探伤条件进行复探，复探时向返工处两端各延长至少50mm作扩大探伤，如扩大探伤不合格，对整条焊缝进行探伤。

7 结束语

1）良好的焊接工艺是质量保证的前提。滩坑电站机组蜗壳安装时做到事前组织参建各方对厂家所提出的焊接工艺进行详细讨论，集各方所长，形成切实可行的焊接方案，并经厂家认可，在施工中严格执行。

2）座环、蜗壳安装及混凝土浇筑过程中，为防止变形应有牢固的支撑结构及加固措施，并做到施工过程中严密监测变形情况，以便及时采取措施解决。

3）在浙江省安装行业协会2010年度颁奖大会上，滩坑电站机电设备安装工程受到表彰，并颁发了浙江省优秀安装质量奖荣誉证书和奖杯。该奖项是省级安装行业施工工程质量的最高荣誉奖。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。