摘要：前期国内水电站水轮机埋件蜗壳基本采用的610MPA级别钢材制造，在水电站中采用国产780MPA级别97MM超厚钢材尚属首次，780MPA级别钢板为目前国内外最高级别水电用钢，此种板厚及高级别钢材实物应用于蜗壳在国内外也极为罕见，由此780MPA级别钢材的超厚板焊接技术将为国产780MPA级别超厚钢材今后大批量应用奠定基础，更好地为我国后续高水头机组的流道设计提供系统可借鉴的参考资料。
关键词：百万机组；蜗壳；超厚板；780MPa；焊接
一、引言
作为世界首台单机容量百万机组的白鹤滩水电站，其水轮机埋件蜗壳额定水头202m，瓦块最大卷板半径和最小卷板半径分为4300mm和1500mm，最大宽度为2500mm，最大板厚97mm，共34节管节，蜗壳为管节整节交货，单节最大运输尺寸为φ8744-2200mm。蜗壳材料为SX780CF，材料要求低碳(≤0.09%)、低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹敏感型指数(≤0.25%)，但同时又必须具备780MPa级的高强度和良好的低温冲击韧性，其高强度SX780CF材料在水电行业为首次应用，其焊接要求极高，并无前期经验可借鉴。作为国家政治工程，其质量要求为精品工程，其焊接成功案例具有较大的推广价值。
二、焊接工艺
（1）蜗壳母材为采用宝钢生产的SX780CF，焊材选用伯乐焊条T Phoenix11018。钢板材料在使用前需取样送第三方检验，入厂需进行无损检测。
（2）焊工资格及焊接工艺评定 ：按ASME《锅炉和压力容器规程》的有关规定，和合同有关文件规定，采用宝钢钢板分别与伯乐、大西洋和西野高强钢焊材做了焊接工艺评定，经对各参数比较，采用宝钢与伯乐焊材焊接性能均优于其他两家焊材，其焊接线能量最高达到35KJ/cm。焊前对焊工组织技术要求交底及现场实际操作培训，并经过理论考试和实际操作考试取证上岗，且中途更换焊工均需经过培训及考试上岗。
（3）焊接方式：780Mpa材料焊接采用手工电弧焊。
（4）焊接材料及焊接设备：1）高强钢SX708CF的焊接材料进厂后需要进行复检。2）SX780CF的焊材选用伯乐的焊条T Phoenix11018(符合 AWS A5.5/ASME SFA-5.5 )高强钢焊条，焊材使用前均需按生产厂家规定的烘烤规范进行烘烤与保温。从烤箱取出焊条后应立即放入保温桶内。焊材烘焙后保存在100～150℃的恒温箱内，药皮应无脱落和明显的裂纹。现场使用时应将焊条装入通电的保温筒，焊条在保温筒内时间不宜超过4小时，超过后应重新烘焙，但重复烘焙次数不宜超过两次。3）焊条电弧焊设备：ZX7-400GBT逆变直流焊机；电焊机：MZ-1250S。
（5）焊接规范：φ3.2焊条110A～130A，21V～23V， ≤30KJ/cm；φ4.0焊条 130A～170A，23V～26V，≤30KJ/cm。
（6）焊接环境：当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：1)、焊条电弧焊时风速大于6m/s；2)、气体保护焊时风速大于2m/s；3)、相对湿度大于90%；4)、雨、雪环境；5)、焊件温度低于-20℃。6)、当普通钢板焊件温度低于0℃但不低于-20℃时，应在施焊处100mm范围内预热到15℃以上。
（7）焊接工艺
1）焊前应对定位焊缝周围宽150mm进行预热（采用电加热方式进行），并用接触式测温仪进行温度测量（测温笔与工件距离为100mm），预热温度不应低于120℃。定位焊在坡口清根侧，定位焊缝不得保留在正式焊缝内，待背缝清根时彻底清除。
2）施焊前，应将坡口及其两侧20-30mm范围内的铁锈、熔渣、油垢、水迹等清除干净。
3）焊前根据相应焊接评定预热（预热区的宽度应为焊缝中心线两侧各3倍板厚且不小于100mm，预热测量要求：当50mm≥板厚>12mm时，测点位置为距坡口边缘50mm处，当板厚>50mm时，测点位置为距坡口边缘75mm处），测量时靠近坡口中心线测量，焊接、清根施工过程中均保持不低于预热温度。单节蜗壳焊接时需整体同时对称施焊，待打底焊焊接约3-5层后背缝气刨清根，并在保温的情况下清根，清根后打磨（层间清理，在施焊下一道焊缝之前，应清除焊道表面的所有熔渣或飞溅物。缺陷的清除可通过刨、铲、磨的方法清除至露出金属光泽），应将背缝渗碳层用砂轮磨掉，验收标准为完全露出金属光泽，打磨合格后采用放大镜检查焊缝合格后进行背缝焊接，在整个焊接过程根据变形情况合理地调整焊接顺序，保证层间温度不低于预热温度（且不大于170℃），整个过程中保温焊接（用接触式测温仪进行温度测量，测温笔与工件距离为10mm，每条焊缝测量点不应少于3点）。焊缝未焊接完成前，暂停焊接时，需保温在80℃以上。
4）预先制作一标准样板（1.2米长卷板弧度检测样板），在焊接过程中随时检查焊缝处的弧度（样板与蜗壳内表面的间隙见卷板质量检测表），根据变形的具体情况(变形超过3mm)调整焊接顺序，以保证焊接完成后1.2米长样板与钢管内壁的间隙不超过5mm。
5）焊前根据要求预热，为防止焊接时产生锥度，单节蜗壳焊接时需整体同时对称施焊，焊接时先打底含3-5层后再背缝清根并打磨至露出金属光泽。背缝施焊2-3层后，用预先制作的标准弧度样板，在焊接过程中随时检查纵缝处的弧度并根据每道焊接的变形情况来调整主背缝的焊接顺序。焊接时严格限制焊接线能量，采用短弧窄道焊接，焊接过程中实施多层多道焊，焊道接头应错开30mm以上，为保证焊接质量，必须将每层每道焊缝的熔渣、飞溅等清除干净后方可进行焊接。
6）待整条焊缝焊完后，采用电加热垫用两端带磁铁的压条固定，立即加热至230℃至300℃，并保温2-4小时。
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7）在焊接过程中，焊缝预热温度、层间温度、后热温度、电流、电压及焊接速度、焊缝变形情况、焊接线能量由焊接人员、班组长及技术质检员严格监督执行到位。采用电脑数字化监控，并对每条焊缝按焊接过程记录表填写过程控制记录。
8）焊缝修补：焊缝出现缺陷时，必须彻底清除，不允许有毛刺和凹痕，坡口底部应圆滑过渡，当采用碳弧气刨去除缺陷时，碳弧气刨槽应磨去渗碳层，并进行渗透探伤或磁粉探伤，焊前预热温度不应低于120℃，按修补工艺修补，焊后需后热230℃～300℃×（2-4）h，后热完成48小时后进行无损探伤。同一部位的焊缝返修次数一般不应超过两次（焊缝返修时的预热及后热范围应超出返修范围200mm以上），对超过一次返修不合格的焊缝，由焊接责任工程师分析缺陷原因（且出据分析报告），制定专项返修方案并由本公司总工程师审批，且返修前应由主机厂家批准，批准后方能实施返修。
9）焊接返修工艺要求可同蜗壳正式焊接，并适当提高预热温度20℃～30℃。焊缝后热处理完成后降至室温且至少48h后对返修区域进行无损探伤检查。
10）电弧擦伤：不允许在坡口以外的金属表面引弧，在坡口以外的母材表面引弧、或有电弧划伤，应打磨清除，并进行 PT/MT无损探伤检测。必要时，进行焊接修复。
11）焊接缺陷的去除：焊接缺陷去除应用碳弧气刨或砂轮机械打磨的方式去除，缺陷清除后，应进行 MT 或 PT 探伤检查。缺陷去除时，预热温度不低于要求温度，但最低不低于120℃。
12）不可随意在蜗壳母材上焊接拉筋、搭板，如必须焊接，需明确预热温度、去除方法及探伤要求，去除时不可伤及母材且搭板、筋板的材料与蜗壳本体同材质。禁止将与蜗壳非同材质的临时支撑配件直接焊接在蜗壳上，若要焊接应采用相同或相近材质的材料作为过渡板进行焊接，或者采用与蜗壳钢板同类型焊接材料进行堆焊（厚度不小于4mm）过渡，之后才能焊接此类临时构件。
13）临时支撑配件的去除不得使用锤击法，可采用热切割的方式去除并预留 3mm 以上的余量，然后采用磨削的方式与周围蜗壳母材打磨平齐。打磨后的表面采用 MT 或 PT 进行无损检测。如需补焊应按经评定的焊接工艺进行，完工后焊缝表面应重新进行无损探伤检测。
14）管壁表面凹坑深度大于板厚10%或超过2mm的，焊补前应用碳弧气刨或砂轮刨成和修磨成便于焊接的凹槽，再行焊补(按专项焊补工艺执行)。焊补后应用砂轮将焊补处磨平，并做无损检查。
三、焊接变形与质量控制
焊材材料的保管：焊丝、焊剂应放置于通风干燥的专设库房内，其温度保持在5℃以上，相对湿度不大于60%。
（1）内部质量控制
焊前检查拼装坡口间隙，各对接焊缝间隙一般为0～3mm。层间清理，在施焊下一道焊缝之前，应清除焊道表面的所有熔渣或飞溅物。应对诸如裂纹、未熔合、焊瘤、焊道成型不良以及其它将对焊接质量产生不良影响的可见缺陷进行清除。缺陷的清除可通过刨、铲、磨的方法清除至露出金属光泽。
（2）焊接外观质量过程控制
严格按合同文件及相关标准文件及设计规定对焊缝外观进行控制；在焊缝盖面时必须盖过每边坡口宽度2～4mm，且平缓过渡；盖面时先焊两边，最后焊接中间；过流表面焊缝需打磨光滑，不高于母材表面1.5mm，也不可低于母材表面。
（3）焊接变形控制
焊接前对拼装间隙进行检查，符合标准后方可进行焊接。焊接过程中，严格控制焊接的速度，每根焊条的焊接都需要由技术质检人员（或班组管理人员）及监测人员现场负责监控线能量，及时测量变形情况，并作好记录，根据记录提供的数据，及时调整焊接的顺序或焊接的参数，确保焊接变形最小。同时对于引起整体变形较大的焊缝必须采用小规范，多层、多道跳焊，最大限度地减少变形，多层多道焊缝，须将每道熔渣、飞溅物清理干净，注意层间接头错开30mm以上。
蜗壳纵缝焊接时应在无拘束的条件进行，在焊接前应将焊缝处支撑和拉杆清除，对于纵缝焊接时，安排两名焊工对两纵缝同时进行焊接，每焊接2层后就应使用弧度样板检查纵缝焊接的弧度，如有变形(当变形量有超过3mm时)，则采用正反跳焊的方法，利用反变形来抵消变形的影响。
四、焊缝检验
参加无损检测人员的资格应当经过鉴定，符合国家质量技术监督检疫总局颁发的《特种设备无损检测人员考核与监督管理规则》及GB9445《无损检测 人员资格鉴定与认证》中的规定，或具有ASNT-TC-1A II 级及以上的资格证书，评定焊缝质量的人员由具有Ⅱ级或Ⅱ级以上资质的无损检测人员担任。
蜗壳焊缝采用100%TOFD和100%MT探伤检测，MT按照ASME-VIII-APP-6执行，TOFD探伤按NB/T 47013和《三峡工程金属结构及机电设备焊缝TOFD检测标准》（三峡开发总公司企业标准 TGPS•J-2008）执行。
五、结束语
白鹤滩蜗壳现已基本交货完成，其蜗壳焊接质量优良率达到99.5%以上，实现了白鹤滩水电站水轮机埋件制造精品工程要求，得到三峡业主、东方电机集团及哈电集团等单位的众多好评，同时为国产800MPA级高压蜗壳及钢岔管制造技术应用和推广提供理论和实践经验，其制造焊接工艺具有较高的实际应用价值，经济效益和社会效益明显，具有广阔的推广前景。
作者简介
邝任廷（1987—），男，汉族，湖南省郴州市永兴县，本科肄业，工程师，从事水电金属结构制作与安装技术质量管理工作。
冯黎明（1975—），男，土家族，湖南省常德市，本科，教授高级工程师，从事水电金属结构制作与安装技术质量管理工作。
论文作者:邝任廷,冯黎明
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：焊条论文; 温度论文; 材料论文; 缺陷论文; 表面论文; 伯乐论文; 弧度论文; 《电力设备》2019年第2期论文;