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向家壩水輪發(fā)電機組座環(huán)焊接及變形控制

文檔作者：劉春水文檔來源：泰戈特(天津)工業(yè)技術有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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第40卷第1期
2017年1月
水電站機電技術
Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
V01．40 No．1
Jan．2017 35
向家壩水輪發(fā)電機組座環(huán)焊接及變形控制
劉春水
(泰戈特(天津)工業(yè)技術有限公司，天津301712)
摘要：從向家壩水輪發(fā)電機組座環(huán)結構特點出發(fā)，分析其變形趨勢，通過采取適當的工藝措施，控制焊接變形，提
高生產率，節(jié)約成本，使產品完全達到客戶滿意。對今后類似的水輪發(fā)電機組工藝措施的制定提供一定參考。
關鍵詞：立式水輪發(fā)電機組；座環(huán)；焊接；坡口；預裝；預熱
中圖分類號：TK730．3+13 文獻標識碼：B 文章編號：1672—5387(2017)01—0035—04
DOI：10．135990．cnki．11-5130．2017．01．011
0前言
隨著經濟的飛速發(fā)展，中國的能源需求逐年增
長，開發(fā)水能源，建立大型水電站成為滿足需求的趨
勢，因而，適于高水頭的混流式水輪機被廣泛應用。
機組的功率增大，必然導致整個機組的重量增加，而
座環(huán)是水輪機機組的關鍵部件，它承受機組的重量、
渦殼上部混凝土的重量、水輪機水推力及蝸殼內部水
壓力。座環(huán)固定導葉及上、下環(huán)板的板厚超過200 mm，
焊縫要求是全熔透的一級焊縫，焊縫的焊接質量及
控制工件的變形是整個制造過程中的關鍵。尤其是
目前我國出力最大的機組一向家壩機組。
1電站運行參數
向家壩電站運行參數見表1。
表1電站運行參數
2座環(huán)生產方式
因向家壩座環(huán)直徑較大，采用分瓣制做，廠內預
裝，工地焊接的方法，圖1、圖2為三維立體示意圖
及分瓣示意圖。
圖1座環(huán)三維立體示意圖
圖2座環(huán)三維分辨不蒽圖
3座環(huán)生產過程
向家壩機組為超大型水輪機組要保證高質量的
完成產品的制做，就要制定詳細的生產流程工藝，為
保證達到生產要求此項目重點分為如下步驟來實
施。
收藕日期：2016—08—22
作者簡介：劉春水(1982一)，男，從事機械設計工作。
萬方數據
水、電站機電技術第40卷
3．1大厚板坡口設計
由于厚板焊接工程量大、難度高，坡口形式的設
計對于焊接質量起著十分重要的作用，是能否達到
設計要求的關鍵。坡口小，一方面，易形成窄而深的
形式，焊縫成型系數偏小，影響一次結晶，容易產生
區(qū)域偏析，在拘束應力大的前提下，進而導致焊接熱
裂紋的產生；另一方面，焊工不便操作，易產生焊接
缺陷，難于達到一級焊縫的要求。
坡口加大，不僅焊接量大大增加，拉長生產周
期，焊縫的焊接殘余應力也大大增加，這對焊接變形
的控制極其不利，同時，也給焊縫產生冷裂紋埋下隱
患。
經過模擬試驗，最后確定向家壩座環(huán)固定導葉
的坡口為雙面半U型坡口，并且，為減少生產總成
本，不采取機加工雙面半u型坡口，而采用人工鏟
磨的方法。實踐證明坡口設計符合生產要求，做到了
坡口的科學性、合理性。
3．2坡口形式示意圖(見圖3)
圖3坡口不意圖
3．3固定導葉上、下端面兩側留裝配基準面
在固定導葉上、下端面兩側分別留50 mm長的
裝配基準面，坡口處與環(huán)板間留3 nlnl間隙，確保焊
接收縮量(見圖4)。
50 111111長的裝配基準面在加工固定導葉水力型
線時，由機加工完成，減小誤差，以保證上、下兩面的
平行度，使固定導葉與上、下環(huán)板垂直。
基準面的作用：
(1)便于裝配
在組裝時，可以使固定導葉兩側的基準面與環(huán)
板上的1：l實樣線對齊，很容易找正。
(2)控制焊接收縮量，減小焊接變形
基準面處與上、下環(huán)板無間隙接觸，在焊接開始
階段，即未去除基準面之前，固定導葉部分起到剛性
圖4導葉i端向兩側裝酉d基準面刀i蒽圖
支撐的作用，因焊接開始階段變形最大，以基準面為
指引可以有效地控制焊接變形，使得總的焊接收縮
量也能保證在預留的范圍內。
3．4焊前準備
(1)焊前對坡口及坡口兩側約50 mm范圍內進
行清理打磨，徹底清除油污、鐵銹、灰塵等雜質，使之
露出金屬光澤。
(2)對坡口表面及附近50 mm范圍內，做PT探
傷檢驗，檢驗合格后，準備做預熱。
(3)采用遠紅外電加熱的方法進行預熱
厚板焊接的關鍵是防止焊接裂紋的產生，適當
的預熱溫度、層間溫度、后熱溫度是防止裂紋產生的
關鍵，特別是強度較高的大厚板焊接尤為重要。這是
因為準確控制預熱溫度、層間溫度、后熱溫度將直接
影響控制冷裂紋產生的三要素：即擴散氫含量、淬硬
傾向和拘束應力。
焊接前，根據焊接工藝評定報告和本座環(huán)具體
結構等，確定預熱溫度為不小于80℃，層間溫度不
大于250℃，采用遠紅外電加熱的方法來保證溫度
符合要求。
焊前預熱的范圍為坡口邊緣起300 mm或板厚
的3倍，預熱溫度的檢測在焊縫兩側50 mm范圍
內，使用遠紅外檢測儀檢測溫度。
(4)從焊接開始至消氫前，焊縫溫度都不低于
預熱溫度。
同火焰加熱方式相比較，遠紅外電加熱有：溫度
控制準確可靠，可以控制升、降溫速度的優(yōu)點。最重
要的是，采用電加熱的焊縫全部受熱均勻，從而避免
了火焰加熱的不均勻同焊接過程中的受熱不均勻疊
加而產生的附加應力，有效地防止了焊接裂紋的產
生。
由于采用了遠紅外電加熱方法，減少了厚鋼板
萬方數據
第1期劉春水：向家壩水輪發(fā)電機組座環(huán)焊接及變形控制37
的溫度差，因此，也減少了由于不均勻加熱和冷卻所
帶來的附加應力，對提高厚板焊接質量十分有效。
3．5焊接工藝要點
(1)每個固定導葉安排一名焊工，幾名焊工在同
一瓣上同時焊接，使各條焊縫焊接量相當。焊接質量
相似。
(2)采用藥芯氣體保護焊(FCAw)進行焊接，焊
接規(guī)范如下：
焊接電流：140～320 A
電弧電壓：20～32 V
按焊接工藝評定結果，焊接熱輸入量最大控制
在35 kJ／mm內。
采用多層多道焊，要求焊道擺幅麴彭彳弓疆過20 mm，
焊層厚度的控制范圍為2．0～3．5 mm，在焊接過程中，
層間溫度不超過250℃。
(3)安排合理的焊接順序，控制焊接變形。
首先焊接固定導葉與下環(huán)板的正弧面，每個固
定導葉布置一名焊工，如向家壩座環(huán)，分4瓣，每瓣
有7個固定導葉，安排了7名焊工同時焊接。焊接時
分段進行，采用退步焊，并遵從單層單道的原則，焊
肉厚度達到約20 mm時，準備清根。
反面碳弧氣刨清根之后，用砂輪打磨掉滲碳層，
以露出金屬光澤，之后，做高溫PT探傷檢查清根
處，合格后，焊接，填滿到坡口深度約1／3。葉片與上
環(huán)板的焊接順序與下環(huán)板相同，并且上、下兩側對稱
焊接。
對固定導葉進、出水兩側的裝配基準面，此時用
碳弧氣刨清除，氣刨一側后，高溫PT檢驗，合格后，
焊接，焊接量與中間部分相當時，碳弧氣刨清除另一
側的基準面部分，這時，進出水兩側支撐部分與中間
部分可同步做碳弧氣刨清根，高溫PrI’檢驗，合格
后，焊接，進出水邊兩側及上、下環(huán)板兩側焊縫對稱
焊接。
在上述碳弧氣刨清根之后，同樣要求用砂輪打
磨掉滲碳層，以露出金屬光澤。之后，做高溫PT探
傷檢查清根處。
焊接坡口填滿后，焊接圓弧角，并焊接出3 mm
的鏟磨余量，以保證焊接、鏟磨后，焊角部分符合設
計圖紙要求。
焊接過程中，控制焊接質量，避免弧坑、未熔合、
氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。
在上述焊接過程中，定期檢測并記錄固定導葉
與上、下環(huán)板的垂直度，并根據變形情況，及時調整
焊接順序，使固定導葉與上、下環(huán)板的垂直度符合設
計要求，在向家壩座環(huán)的焊接過程中，四瓣座環(huán)共28
個固定導葉與上、下環(huán)板的垂直度誤差為0～2 mm，
小于設計圖紙要求的最大3 mm，客戶對質量非常滿
意。
(4)錘擊消除應力。
除定位焊、打底焊(前3層)和焊縫蓋面不得錘
擊消除應力外，其余每焊一層，應使用風鏟消除焊接
應力，消除應力的效果應使焊縫表面屈服，方可施焊
下一層，消除應力所使用的風鏟的錘頭部，應磨成圓
形，其圓弧半徑應I>2 lain，必須在焊縫焊完后，即焊
縫在熱狀態(tài)，立即進行錘擊消除應力。
實踐證明，錘擊消除應力是焊接過程中最好的
消應力手段，對應力的消除有著明顯的效果，起到了
至關重要的作用，是其它消應力方法所無法替代的。
所以，在焊接過程中，嚴格執(zhí)行錘擊消除應力工藝以
避免應力累積。
3．6后熱一消氫處理
對于大厚板的焊接，后熱消氫處理也是非常關
鍵，當焊接完畢后，焊縫溫度未低于預熱溫度前進
行，消氫溫度為250～300℃，保溫時間為4 h，升溫
和降溫速度不宜過快，應低于50℃／ll，以減少產生
氫致冷裂紋的可能性。
后熱消氫處理采用遠紅外加熱設備完成，采用
溫控設備自動控制，自動控制溫度的升、降速度、最
高溫度以及保溫時間。
3-7焊后退火處理
因座環(huán)的板厚相當厚，焊接量很大，雖然采取了
上述減小焊接應力等措施，但在焊縫內部還存在較
大的焊接殘余應力，為進一步消除焊接殘余應力，避
免產生延遲裂紋，需進行焊后退火處理。
焊后退火處理在消氫處理并降至室溫48 h后，
經過盯、UT無損檢測合格后的前提下實施。
退火處理在熱處理爐中整體進行。
處理爐的尺寸為：寬8 m×長12 mx高6 m。
熱處理前，在工件及爐中不同部位布置熱電偶，
裝爐和出爐溫度將不超過400℃。升溫速度不超過
50℃／ll，降溫速度不超過40。C／h，最高溫度580-1-15℃，
保溫4 h，熱處理溫度曲線自動記錄，存檔。
(下轉第57頁)
萬方數據
第1期陳強，等：發(fā)電機定子槽楔移動原因分析及處理57
3．2．7絕緣漆噴涂
待端部環(huán)氧及滌綸繩固化24 h后，檢查環(huán)氧干
燥情況。合格后，清除環(huán)氧殘渣。對于定子鐵一fl,邊緣
處環(huán)氧的清潔，必須小-fl,清洗，避免造成鐵心側邊緣
環(huán)損壞。待清潔工作完成后，噴涂東方電機廠的188
絕緣漆。
3．3處理后的電氣試驗
槽楔安裝完成后，對發(fā)電機定子進行電氣試驗，
包括發(fā)電機定子絕緣電阻、直流耐壓、交流耐壓試
驗。
絕緣電阻吸收比和極化指數合格后，分相進行
2．0Un直流耐壓試驗。直流耐壓試驗電壓按每級
0．5Un分階段升高，每階段停留1 min。記錄泄漏電
流值及其變化。
分相進行1．5Un(即27 kV)、1 min的工頻交流
耐電壓試驗。以上試驗結果標準參照南方電網電力
設備預防性試驗規(guī)程進行同
4結束語
本文對惠州蓄能水電廠4號發(fā)電機定子槽楔發(fā)
生位移的情況進行了分析，得出了發(fā)電機定子槽楔
發(fā)生位移的幾個原因，包括設計結構與材料不匹配
的原因、制造工藝及安裝質量的影響和機組振動的
影響。并對定子槽楔移動所帶來的危害進行了闡述。
本文結合惠州蓄能水電廠4號發(fā)電機實際處理
情況對整個處理步驟進行了詳細介紹，給出了槽楔
安裝的檢查標準。提出了在波紋墊條內外面均涂抹
少量潤滑脂，減少安裝槽楔時受到的摩擦阻力，打槽
楔前，在上端和下端各3層的槽楔區(qū)域，與槽楔接觸
的鐵一5,flO面鴿尾槽區(qū)域刷少量環(huán)氧、在端部毛氈內
加絕緣塊增強固定效果等方法，可以為其他同類型
機組的定子槽楔處理提供參考。
參考文獻：
『11龍浩，聶亮華．洪江電廠發(fā)電機定子槽楔松動原因分析
及處理『C]／／中國水力發(fā)電工程學會信息化專委會2010
年學術交流會論文集，2010：352-356．
[2】賈志東，夏英來，鄧禹，等．大型發(fā)電機定子槽楔松動的
動力學分析與檢測Ⅱ】．中國電機工程學報，2011，31(15)：
107-113．
[3]劉志鴻，張斌．發(fā)電機定子槽楔松動分析及處理【I】．水電
站機電技術，2005，28(2)：46-47．
『41張斌，劉志鴻．流溪河發(fā)電公司1號發(fā)電機定子槽楔松動
處理淺析Ⅱ】．狀態(tài)檢修與缺陷分析，2004(3)：77—79．
【5】5中國南方電網有限責任公司．Q／CSGll4002—2011電力設
備預防性試驗規(guī)程[z】，2011：56-57．
(上接第37頁)
3．8無損檢測
焊縫質量檢測采用超聲坡探傷(UT)、著色探傷
(PT)和目視檢測(VIs)相結合的方法。
焊接前應對坡口進行著色探傷(胛)檢驗。
清根后應對清根部位進行著色探傷(肼)檢驗。
消氫處理溫度降至室溫48 h后，做超聲坡探傷
(uT)、著色探傷(PT)檢驗。
熱處理之后，做超聲坡探傷(uT)、著色探傷
(PI’)檢驗。
最終檢驗合格之后，廠內預裝。
4結論
現在本公司每年生產近10臺混流機組的座環(huán)，
每個座環(huán)的制做過程基本都參考如上所述的相關流
程進行，在制做過程中，嚴格執(zhí)行焊接工藝，對焊接
過程實施檢測，控制焊接變形，尤其是向家壩、三峽
的座環(huán)，無論是內部焊接質量還是整體幾何尺寸等
都完全符合要求?？蛻舴浅M意。
當然，向家壩作為目前國內最大出力機組，它的
座環(huán)焊接工藝的制定是生產中非常重要的一環(huán)，需
要我們考慮的東西很多。
向家壩座環(huán)焊接工藝的制定是一個復雜的工
程，但向家壩座環(huán)焊接作為一個立式水輪發(fā)電機組
中比較典型的大結構厚板焊接，還有很多地方需要
我們繼續(xù)研究和改進。
參考文獻：
[1]GB／T 8564—2003水輪發(fā)電機安裝技術規(guī)范【s】．
【2]GB／T 7894—2001水輪發(fā)電機基本技術條件【S]
[3】中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊【M】．2版．北京：機械
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【4]ASMr IX2007焊接和釬焊評定標準【S】．美國機械工程師學會．

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