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浅谈水轮机转轮大面积补焊的工艺控制彭亚杰，岳建锋，李 云，许映霞（华能澜沧江水电有限公司漫湾水电厂，云南 临沧 675805）摘 要：结合漫湾电厂 6 号机 A 级大修转轮修复实例，探讨转轮大面积堆焊的工艺控制，寻求有效的质量保证方法，以提高转轮使用寿命，同时为相续而来的其它机组检修转轮补焊总结经验。关键词：转轮；磨蚀；堆焊；工艺控制中图分类号：TK730.3+23文献标识码：B文章编号：1672- 5387（2011）04- 0035- 05表 1 漫湾电厂转轮参数0 引言水轮机转轮的磨蚀情况决定着水电厂的检修周 期制定。经过一个 A 级大修周期的水轮机转轮，磨 蚀范围是大面积的，对于转轮大面积磨蚀的修复，虽 然现在有很多关于涂层喷涂修复的方法，但都还处 于试验阶段，发展还不够成熟，况且喷涂涂层的高费 用也使这一技术较难推广应用。鉴于此，漫湾电厂现 阶段的转轮磨蚀修复仍采用传统堆焊的方法。漫湾电厂自第一台机组发电至今已有 17 年历 史。期间，6 号机进行了建厂以来的首次 A 级扩大性 大修，而后各台机组将陆续进入 A 级大修的周期。6 号机 A 级检修中，对转轮的上冠、叶片进行了大面 积的堆焊 （其中上冠为碳钢母材堆焊不锈钢表层）， 其它机组在将要来临的 A 级检修中面临同样的堆 焊需要。以 6 号机转轮的大面积补焊的成功实例，来 探讨总结转轮大面积补焊的工艺控制，对接下来的 其它机组转轮补焊有积极指导意义，同时有效的工 艺控制对保证转轮质量的贡献，直接决定下一个大 修周期的长短。1 漫湾电厂转轮介绍1.1 转轮参数漫湾电厂转轮直径为 5.5 m，叶片数 14 片，采用 分瓣结构（两瓣），上冠和泄水锥材质为碳钢，叶片、 下环和上、下止漏环材质为不锈钢（上、下止漏环分 别焊接在上冠和下环上）。详细参数见表 1。1.2 转轮补焊前磨蚀情况（6 号机 A 级大修）在 6 号机 A 级检修中，对转轮的叶片磨蚀情况 进行检查，发现叶片背部的汽蚀情况较严重，汽蚀严 * tJ11 tJ1 1mm1mm1mm1mm1t5 5005 0005 8604 58314OC!13#6$% & OC!13#5$% ()* OC!13#4$% &,-,%.#$/ & OC!13#5$% 116789:;4 4308 1501 6001 8008 410,%.#$/ G* 1 + 0 234?ABCD EF 151mm1mm1mm1mm1mm* 1?重区域最深为 7 mm，汽蚀总面积达 0.5 m2 ，考虑到叶片其它部位鱼鳞状的磨损情况，借 A 级检修时间 长的契机，采取在叶片汽蚀、磨损全范围内补焊的方 法修复转轮叶片。同时，对上冠上的磨蚀情况进行检查，发现磨蚀 比叶片严重的多，深度最深达 13 mm，总面积达 4.19m ，考虑上冠母材为碳钢，抗磨损和抗汽蚀的能力2较低，借 A 级检修时间长的契机，采用在全过流范围内刨开上冠表层，在表层铺焊 56 mm 厚不锈钢 的方法修复，此方法在电厂属首次应用。2 转轮大面积补焊2.1 补焊修复流程检查裂纹（有裂纹先处理）碳弧气刨打收稿日期：2011-06-15作者简介：彭亚杰（1973-），男，工程师，长期从事水电站机械设备 检修、维护和技术管理工作。水 电站机 电 技 术36第 34 卷磨渗碳层堆焊打磨修型测量检查2.2 工艺控制2.2.1 裂纹检查及处理 转轮在大面积补焊前，必须进行裂纹探伤检查，若发现裂纹，必须先于补焊前处理，以防止在补焊过 程中裂纹扩展延伸。6 号机 A 级检修中，先采用超声 波探伤方法检查，未发现裂纹，所以未进行裂纹处理 这一步骤。但这一步骤是不可少的，因为在 5 号机的 B 级检修中就曾发现了两条裂纹。对裂纹的处理按 常规标准方法进行。2.2.2 焊接工艺参数选择 手工电弧焊的工艺参数，通常包括焊条直径、电源种类及极性、焊接电流、电弧电压、焊接速度和焊 接层次等内容。焊接工艺参数选择得正确与否，直接 影响焊接的形状、尺寸、焊接质量和生产效率，因此 选择合适的焊接工艺参数，是转轮补焊中不可忽视 的一个重要问题。（1）焊条直径的选择 综合考虑焊件的厚度、焊接层次、防止过热及控制线能量等因素。6 号机转轮补焊的焊条直径选择3.2 和 4.0 两种。（2）焊接电流的选择 根据焊条直径来选择：I1=K.d403.2128AI2=K.d 40 4 160 A式中 I焊接电流，A; d 焊条直径，mm； K经验系数；（见表 2）表 2 经验系数值短。所谓短弧，一般认为应是焊条直径的 0.51.0倍，其计算式如下： L(0.51.0)d(0.51.0)4（2.04.0） mm 式中，L电弧长度；d焊条直径。 实际焊接过程中，根据电弧长度来调整焊接电压。（4）焊接速度 焊接速度直接影响焊接生产率。因此，在保证质量的基础上，选择适当的焊接速度，提高焊接生产效 率。（5）补焊层次 对质量要求高的合金钢、不锈钢等，每层焊缝厚不能大于 45 mm，根据实际经验，每层焊缝厚约等 于焊条直径的 0.81.0 倍。所以应视碳弧气刨的实 际深度和焊条直径来确定补焊层次。（6）线能量 对焊接工艺参数的综合考虑，就引出线能量的概念。它是指熔焊时输入给单位长度焊缝上的能量。焊接时，电弧的有效功率：qfIhUh式中f 电弧有效功率系数；Ih 焊接电流 ，A； Uh 焊接电弧，V； q电弧功率，即电弧在单位时间内所析出的能量，J/s。线能量：q/vfIhUh/v式中 v焊接速度。cm/s焊接工艺参数对热影响区的大小和性能有很大 影响。采用小的工艺参数，如降低焊接电流、增大焊 接速度等，能降低热影响区。不仅如此，从防止过热 组织和晶粒粗化角度看，也是采用小参数比较好。6 号机转轮补焊时最大焊接线能量不大于 30 kJ/cm。 综合以上各焊接参数选择的原则，并配以现场 实际经验的调整，最终确定的焊接工艺参数选择见表 3 和表 4。表 3 碳钢手工焊焊接参数vvvvvvvvvvvvvvvvvvvv vvvvvvvvvvvvvvv根据位置选择：在相同焊条直径条件下，平焊时，由于运条和控制熔池中的熔化金属都比较容易， 因此可以选择较大的电流进行焊接。但立焊和仰焊 时，为了避免熔化金属从熔池中流出，要使熔池尽可 能小些，所以实际电流要相应比平焊小些。同时需由焊工根据实际经验，现场判断电流大 小与否。（3）焊接电压的选择手工电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决 定。电弧长，电弧电压高；电弧短，电弧电压低。在焊 接过程中，电弧不宜过长，所以在焊接时要力求采用 短弧焊接。在立焊和仰焊时，弧长应该比平焊时更 9L 1q V b3.2 100-16085-13085-13520-24 b 4.0 1 10 - 18 0 10 0- 1 50 1 00 - 1 55 2 2- 2 8 2.2.3 焊条选择根据碳钢和不锈钢的金相组织结构，考虑焊条 与母材的结合情况，选择的不锈钢焊条为：CHS102；第 4 期彭亚杰，等：浅谈水轮机转轮大面积补焊的工艺控制37表 4不锈钢手工焊焊接参数 L/A依据表 5 中关系，6 号机碳弧气刨选择碳棒直径为 8 mm，电弧电流为 240400 A。（3）刨削速度 刨削速度对刨削尺寸、表面质量都有一定影响。刨削速度过快会形成“夹碳”缺陷。一般刨削速度取0.51.2 m/min.（4） 压缩空气压力碳弧气刨常用 的压缩空气压力为 0.5 0.7MPa。低于 0.4 MPa 则不能进行刨削。（5）电弧长度操作时尽量要求保持短弧，6 号机气刨过程中 电弧长度控制在 13 mm。（6）碳棒伸出长度 碳棒从钳口导电嘴到电弧端的长度为碳棒伸出长度。伸出长度太大，钳口离电弧就远，压缩空气吹 到熔池的风力就不足，不能顺利将熔渣吹走，伸出长 度太短会引起操作不便。6 号机气刨中，伸出长度为80100 mm，碳棒烧损 2030 mm 时，就需要进行 调整。（7）碳棒与工件倾角 倾角的大小主要影响刨槽的深度，倾角增大，槽深增加。综上所述，对于碳弧气刨的工艺参数，有些是可 以用数据保证严格控制的，但有些需要靠气刨工的 经验掌握，如碳棒与工件倾角，所以在各参数保证的 前提下，选择有资格有经验的气刨工是必要的。2.2.5 堆焊（1）焊工资格要求 如同电弧气刨时的工艺参数控制一样，对于焊接工艺参数的控制，有些仍需靠电焊工的经验掌握， 如焊接电流的现场判断，焊接速度的现场掌握等，鉴 于此，转轮大面积补焊时，为保证补焊质量，选择有 资格、有经验的电焊工是必要的。（2）堆焊方法堆焊前，焊接区域及其两侧各 50 mm 范围内， 应清除所有锈蚀、油污、等有害焊接质量的杂质。分层：堆焊时根据先前补焊层次的选择原则进 行逐层堆焊，每堆焊一层需用锤击敲打。上冠上的碳 钢母材，对于碳弧气刨深度超过 10 mm 时，先用碳 钢焊条进行补焊，焊接至深度为 8 mm 时，再改用不 锈钢焊条进行补焊，上冠上不锈钢敷层的厚度必须 保证在 56 mm 内。 4 4 LV b3.2 100-16085-13085-13520-24b4.0 110-180100-150100-15522-28选择的碳钢焊条为：E5015。焊条选择确定后，需按JB3223 要求进行管理、发放和使用。要求焊条保持 药皮干燥、不脱落，焊条上无油污等其它杂质；在使 用前，需按焊条的使用说明书烘烤焊条并保存在烘 烤箱。使用时，焊条必须保存在密封良好的保温筒 内。但焊条在保温筒内的时间不得超过 4h，否则须 重新烘烤，而且重新烘烤得次数不得多于三次。2.2.4 碳弧气刨 对转轮上冠过流面和叶片补焊区域，应该先进行铲削。对上冠补焊区的铲削：采用碳弧气刨的方法将 过流面全范围铲削，视磨蚀坑的深浅铲削深度不等, 对于其中局部汽蚀较深的坑，可局部加深气刨深度， 达到 95以上的面积露出基本金属。对于叶片补焊区域的铲削：对于磨蚀坑深度不 超过 2 mm 的区域可以直接用砂轮打磨；对于磨蚀 坑深度大于 2 mm 的，应采用碳弧气刨的方法铲除 破坏层，达到 95以上的面积露出基本金属。采用碳弧气刨时一次控制面积不能太大，应尽量 使表面刨平整，再用砂轮磨去渗碳层并找平，使露出 金属光泽，才能开始堆焊。碳弧气刨作业烟雾大，碳粉 飞溅厉害，所以必须加强通风，以改善工作条件。为避免在碳弧气刨过程中产生常见的缺陷，如 夹碳、粘渣、刨槽不正和深浅不均等，应严格控制碳弧气刨的工艺参数。其工艺参数控制如下：（1）电源极性 极性的选择视被刨金属材料而定，对于 6 号机中的不锈钢转轮叶片和碳钢上冠，均采用直流反接 的方式（即碳棒接正极，工件接负极）（2）电流与碳棒直径表 5 碳棒直径与钢板厚度的关系 4-66-88-1210 45-66- -10电流计算的经验公式：I（3050）d（3050）8240400 A式中 I电流，A; d碳棒直径，mm水 电 站机电 技 术38第 34 卷对称分块跳步焊的方法：针对我厂转轮直径大的特点，采用对称分块跳步焊的方法，以使转轮受热 均匀，防止热量过分集中。具体操作方法为：对 称采用 4 名焊工沿圆周方向对称施焊，四人分 配 14 个转轮叶片，A、B、C、D 四人分别占据 1、4、8、11 号叶片，同时对称施焊后，四人按顺时针方向转 换位置，再分别占据 2、5、9、12 号叶片同时对称施 焊。分块跳步对于同一个叶片，如果补焊的工作 量很大，为使叶片均匀受热，采用叶片分块、跳焊的 方法。分块尺寸大小约 400 mm400 mm，各块接头 错开，在同一个叶片上换位时，最好间隔 12 个方 块区，以使堆焊的热量均匀分散。堆焊时，多层焊道的方向应彼此交错，而表面层 焊道尽可能和水流方向相同、运条方向采用直线逆 条方法，第二道焊波应压第一道焊波的三分之二，焊 道的起终点应尽可能错开。2.2.6 温度控制环境温度的控制：在低温下进行堆焊，应力大、 变形大，容易发生裂纹，所以最好将转轮进行整体预 热。我厂转轮尺寸大，一期机组转轮直径达到 5 500mm，难以整体预热，所以采取搭设保温棚，使转轮焊 接时的环境温度保持在 20。金属表面温度的控制监测：当采用碳钢焊材补 焊深坑时，应使用烤枪进行焊前预热，预热温度为60。焊接时采用控制补焊速度的方法来控制金属 表面的温度。2.2.7 变形控制及检测 为防止和减少焊接过程中转轮的变形，转轮焊接过程中，必须对转轮各部分进行严密监视，以便及时发现变形，并及时处理。（1）焊前、焊后利用千分尺和千分表，监视转轮 各部分的变形。（2）为减小转轮法兰的变形，焊接中采取不分解 水机轴的措施，以阻挡转轮法兰的变形。2.2.8 应力消除 对于焊接过程中出现的应力集中现象，采用锤击法消除。具体工艺步骤为：除底层和盖面层外，每焊一层应锤击释放应力。2.2.9 打磨抛光 粗磨采用木条样板，粗磨上冠型线。在粗磨前，可采用碳弧气刨对高点进行修整，在粗磨过程 中，配合铲磨对焊接缺陷或缺肉处进行堆焊。精磨精磨上冠型线，并用抛光砂轮进行抛 光。质量标准：（1）补焊层打磨后，不得有深度超过 0.5 mm，长 度大于 50 mm 的沟槽和夹纹。（2）叶片补焊打磨后的部位应符合原来型线， 应和原母材圆滑过渡，光洁度应在 6.4 m 以上，表 面无明显凸凹现象。堆焊区和原母材交界处，应无高 低痕迹。（3）对叶片上打磨后保留的堆焊层厚度应不小 于 25 mm，若打磨过程中，发现堆焊部位波谷太低， 应及时补焊填平后再打磨。2.2.10 PT 探伤 转轮补焊结束，进行渗透探伤试验，重点检查叶片与上冠、下环连接处及上止漏环与上冠焊接处无 裂纹。2.2.11 翼型测量 焊接完后，打磨型线，用翼型样板对上冠型线和叶片型线进行测量，检测翼型是否符合要求。6 号机 转轮大面积补焊后经翼型样板检测，是符合要求的， 其与样板的间隙在 23 mm 以内，且间隙与间隙长 度之比小于 2%。3 修前、修后对比3.1 转轮补焊后外观比较修复前照片如图 1。图 1 修复前照片修复后照片如图 2。图 2 修复后照片3.2 振动、摆度参数比较6 号机转轮大面积补焊后，机组检修结束，经试 验运行测量其振动、摆度情况，比检修前有较好改第 4 期彭亚杰，等：浅谈水轮机转轮大面积补焊的工艺控制39善，由此证明转轮大面积补焊在控制转轮变形上是成功的，并没有因为转轮变形而导致水力不平衡，而 使机组振动、摆度增加，对比数据详见表 6。表 6 修复前后振动、摆度对比碳钢母材上铺焊不锈钢防蚀层，电厂是首次进行，但这是机组检修必须面临并陆续长期面临的现实问 题，所以不断总结探讨补焊过程中的工艺控制是现 实且急需的。按照本文所述来进行补焊的工艺控制， 转轮补焊后的质量能否得到保证，经试验和三个多 月的运行检测来看是可行的。而对转轮补焊后的耐 磨蚀性能，则需在下个小修来临时，停机实地检查磨 蚀情况，以改进、优化转轮大面积补焊的工艺控制。 Y Y 0.260.240.360.350.020.030.050.040.090.090.140.120.220.220.040.020.040.020.020.01LJ/m1mm J/m1mmLUi 1mm4Ui 1mmILi 1mm参考文献：1 袁蕊，田子勤. 水轮机检修M. 中国电力出版社，2004. 2 陈造奎.水轮机检修M. 中国水利水电出版社，1981. 3 孙景荣，王丽华. 电焊工M. 化学工业出版社，2001. 4 刘大恺. 水轮机M. 中国水利水电出版社，1980.4 结语虽然对转轮的磨蚀进行大面积补焊，及在上冠!（上接第 34 页）表 4 9 号机蜗壳水压试验座环检测记录表单位：mm糯扎渡电站水压试验蜗壳变形的成功处理无疑为水利水电工程施工提供了有益的借鉴，同时也给 我们不少可供深入探索、研讨的启迪：（1）水压试验目的主要是检验焊缝的焊接质 量、检验蜗壳和座环设计的合理性和结构整体的安 全度，同时水压试验还可不同程度削减焊接残余应 力和不连续部位的峰值应力，对于大容量、水头变幅 大的糯扎渡电站而言还是必要的。（2）尽管非对称截面蜗壳相对于圆形截面蜗壳 具有减小蜗壳外形尺寸、增加进水管段至机组分缝 之间最薄弱段混凝土厚度、优化过渡板应力和降低 其峰值应力的诸多优点，在湖南五强溪电站和加拿 大列维斯多克电站等多个工程也有过成功的应用。 但一般仅应用于弹性层方式或较低压力水压试验后 保压浇筑方式的蜗壳结构，对于类同糯扎渡电站这 样水头较高、试验压力也相对较高的金属蜗壳则更 应审慎面对。（3）根据多个高水头高转速大容量混流式水轮 机安装、调试的经验，在设计金属蜗壳相关参数和制 订施工工艺导则时参照新的 ASME 标准相关规定， 还是可以考虑适当降低压力试验值的。（4）根据龙滩、水布垭、拉西瓦、三峡左岸电站、 溪洛渡工程等已建和在建的巨型电站的成功经验， 对于水力模型基于相同的同类工程项目，也可以有 条件的考虑采用诸如不进行水压试验而仅保压浇筑 蜗壳混凝土或者类似弹性垫层蜗壳埋入等经实践证 明技术上可行的施工模式。3J1EEM / MPa 00.5 1.0 1.4 1.8 2.3 2.8 3.2 3.7 4.2 max ! ! ! ! JiFJ JiFJ JiFJ JiFJ JiFJ JiFJ JiFJ JiFJ5.05.05.05.05.00.05.05.05.05.05.05.05.05.05.05.05.08 4.82 4.64 4.50 4.26 4.07 3.95 3.65 3.55 1.45/ 5.06 5.18 5.31 5.42 5.64 5.86 6.07 6.36 6.57 1.57/4.97 4.93 4.93 4.94 5.05 5.25 5.44 5.87 6.18 1.18/t4.96 4.97 5.01 5.05 5.15 5.24 5.24 5.33 5.34 0.34/5.06 5.17 5.21 5.19 5.26 5.14 5.29 5.71 5.97 0.97/t5.09 4.71 4.70 4.56 4.61 4.62 4.64 4.69 4.73 0.27/#4.82 5.05 5.13 5.15 5.26 5.34 5.40 5.54 5.67 0.67/t4.98 4.81 4.85 4.85 4.94 4.98 4.76 4.24 3.96 1.04/#5.09 5.12 5.19 5.26 5.35 5.35 5.19 4.84 4.62 0.38/ 5.49 4.07 4.31 5.49 6.26 6.92 7.44 8.13 8.59 3.59/5.05 5.15 5.25 5.34 5.45 5.54 5.64 5.82 6.06 1.06/t5.08 5.24 5.36 5.49 5.64 5.81 6.01 6.42 6.74 1.74/5.01 4.99 4.93 4.89 4.89 4.78 4.76 4.87 4.92 0.08/ 4.83 4.49 4.09 3.67 3.12 2.54 2.03 1.29 0.72 4.28/#5.0 4.94 4.85 4.76 4.66 4.55 4.47 4.39 4.30 0.70/ 4.93 4.73 4.49 4.25 4.86 4.45 3.05 2.44 1.94 3.06/#y yx$ $x注：表中“”表示偏移方向向上，“”为向下，“”系向外，“”为向内。从上表看出，改造后的座环 / 蜗壳在 1.5 倍工作压力试验过程中的变形得到了有效控制，泄压后均 能平稳恢复，较为圆满地收到了预期效果。水压试验完成后，控制蜗壳内水压力在 1.76MPa1.86 MPa之间进行保压浇筑混凝土，根据所保 留座环 d1d8 百分表共 8 个的监测点数据随时分 析座环变化情况，及时调整砼浇筑顺序，控制混凝土 浇筑速度0.6 m/h，整个浇筑过程得以顺利完成。7 结语Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station(Vol. 34. No.4)ABSTRACTSResearch on selection of initial start-up test mode for first unit in large pumped storage power stationMain technical matters in pumping operation start-up testZHANG Yu-liang, PAN Xiu-yun(China Water Resources Beifang Investigation Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300222, China)Abstract: This paper studies on main technical matters for the first unit in large pumped storage power stations, particularly 9questions about technical character and difficulty, then analysis and risk assessment are put forward.Key words: pumped storage; first unit initial start; pumping operation start-up test mode; technical niatterResearch on modeling and parameter measurement of pumped storage unit prime motor and regulating systemGONG Yu(Guangzhou Pumped Storage Power Plant, Conghua 510950, China)Abstract: The purpose of hydraulic turbine and regulatory system parameter measurement is to found mathematical model of unit for paralleling of power grid and to provide reliably data for stability simulation of power system. Guangzhou Pumped Storage Power Plant establishes hydraulic turbine and regulatory system model with the parameters measured through static test and dynamic test. Based on measurement data, the hydraulic turbine and regulatory system model is simulated. By comparing turbine speed governor and regulator system model in power grid BPA transient state program, smikes the unit prime motor and regulating system mathematical model.Key words: speed governor; pumped storage unit; prime motor; regulation parameter; parameter identification; modelingDifferential pressure method on flow measurement in Ertan Hydraulic Power StationXU Wen-feng(Ertan Hydropower Development Company, Ltd., Chengdu 610051, China)Abstract: Accurate measurement of turbine discharge is important for enhancing economic operation of hydroelectric generating set and directing production management of hydroelectric power plant. With the condition on site, hasecl on theoretical derivation and computing result, using differential pressure method to measure turbine discharge is realized by low cost in Ertan Hydraulic Power Station; According to practical experience, the problems in measurement and the solutions are summarized.Key words: Ertan Hydraulic Power Station; hydraulic turbine; flow measurement; differential pressureDiscussion on large-area repair welding technology control of hydraulic turbinePENG Ya-jie, YU Jian-feng, LI Yun, XU Ying-xia(Huaneng Lancang River Hydropower CO.,LTD Manwan power Plant, Lincang 675805, China)Abstract: In combin