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三峡机组异钢转轮焊接工艺研究
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三峡机组异钢转轮焊接工艺研究
郑本英
摘要
本文介绍7三峡机组异种钢转轮焊接工艺研究中的技术关键与解决经过,特剐
~oCrl3NISMo’I~扳的非正太热处理工艺研究,下环的水压机成形,以殪异种铜叶
片的熔嘴电渣焊工艺研究.这些都是国内外首创的,井已在安康转轮中成功应用,
从而为今后三峡转轮的研制提供7可供借鉴的技术储备.
异种钢焊接转轮在国内系我厂首创,经
二十余年的制造与运行实践,证明是成功
的.为了更上一层楼,使它能用于三峡水轮
机巷蛰,就须对异种钢焊接转轮进行结构,
材料与工艺优化.经过多次论证,最后推出
以叶片中部为界,上部用2OMnSi钢,下部
用oCt13NiSMo钢的新型异种钢焊接转
轮,并决定将下环由铸钢改为用新研制的
oCr13NI5Mo（即S135）不锈钢板制造.
为了验证此项新型结构的异种钢焊接转
转的可行性,我们决定以安康电站2oOMW的
5.5m转轮作为三峡机组的异种钢中间试
验转轮,列入三峡机组的科研项目,进行综
合性的工艺研究.
仿三峡结构的安康异种钢焊接转轮结构
如图1所示.与过去的异种钢焊接转轮不同
之处是,叶片用20MnSi钢和0Crl3Ni5MO
钢括叶片的3—3截面拼焊（原全是不锈钢
叶片）,下环用120mm厚的SI3B不锈钢板
制造（原为2OMnSi钢铸造）,为满足其连
接外止漏环的需要,在下环外附焊有碳钢的
钢板衬环.
采揭时间:
19鼋1年j月7日
由于下环的工作应力很低,丽S135不
锈钢板的服屈强度在9ooMPa以上,根据国
外经验,采用此类高强度马氏体不锈钢板制
作转轮下环,可大幅度地减薄下环厚度.为
此,我们选用120mm厚钢板,并使每面的
加工余量由I5~2Omm）压缩了约50.
这样,既节省钢材,又便于成形,还使下环
重量接近苏联的不锈钢板制造的下环的水平
（见表1（）.
而啥尔滨电机厂制造的白山机组,虽然
直径与安康机组相同,但转轮下环却用
160ram厚的$135不锈钢板制造,比安康下
环厚1/3.
转轮采用异种钢组焊,国外应用得甚
少,只是偶尔使用过,尚属试验性质,未获
得推广.如苏联在六十年代初,制造布拉茨
克217MW水轮机的5.5m转轮时,在最后
就曾采用过上冠,下环为20MnSi铸钢,叶
片为0Crl2NiCu铸钢的异种钢焊接转轮
（见图2（.））,但未介绍具体工艺.英国
在1964年倒是简要报导过叶片为B.S.1630A
不锈钢,上冠,下环为碳钢的异种钢焊接
S丁
图1安康200MW水轮机异种钢焊接转轮
表1安康转轮与苏联不锈钢转轮重量比较
转轮的制造工艺.谚工艺与我厂过去采用的
带过渡层的焊接工艺大相径庭,叶片两端须
在预热240℃后堆焊Cr20Ni10～2.5Mo的
奥氏体不锈钢过渡层,经620~640℃消应回
火后铲磨K型坡口（见图3）.组装后,将
上下接头预热50℃,用同样焊条进行焊
接,要求层间温度控制在50～150℃,焊后
作580~600℃回火,焊缝用着色渗透法检
查（.而我厂则是在碳钢上冠与下环上堆
焊Cr18Ni12Mo2V过渡层,而后,又改为不
堆焊过渡层的直接组焊工艺.
1984年春,笔者赴美考察时,曾见到过
A—c公司在焊接m七叶片的低水头,无下
38
环的38.7MW异种钢焊接转轮[‘]（见图
4）.
旨
图2苏联布拉茨克217MW水轮机异种钢
焊接转轮
蹦3带过渡层的异种钢转轮焊接接头
图4无下环的混流式水轮机
异种铜焊接转轮
以上就是我们在国外搜集到的异种钢
焊接转轮资料.从搜集到的资料看,目前国
外水轮机转轮,几乎全是由碳锕或不锈钢蛆
焊的同种钢焊接转轮.当代的7QoMW的大
古力,依泰普机组转轮均为碳钢焊接转轮,
面苏联却较多采用全部用0Crl2NiCu
OOCr12Mi3Cu不锈钢焊接的转轮（见表
1[]）.
综上所述,可以看出,国外迄今仍对异
种钢焊接转轮持怀疑态度,这也是台作制造
的五强溪机组8.5m转轮采用异种锕焊接遭
排斥的原因.
其次,就安康这一试验转轮的结构而
言,除叶片采用异种钢组焊为国外前所未有
外,其余则都是屡见不鲜的.如叶片采用拼
接,这实际是从带叶片凸台的上冠,下环演
变而来的.如大古力700MW~9250mm转
轮,各叶片就是拼焊的:
],甚至将叶片中
部的拼接作为厂内分瓣制造,至电站组焊成
整体转轮的一种手段.如德国制造的卡巴拉
巴莎机组,转轮分三瓣运往电站（见图5（]）,
日立制造的麦卡不锈钢转轮分上,下两半运
往电站组焊.）等.
设在叶片中部的接头,尚有工作应力较
低,曲率较小,利于无损探伤等优点,而
且,其接头焊接工作量与焊材消耗,均比T
型接头少3O～4O.此外,还将解决特大叶
片的铸造或模压的困难.而对安康转轮而
言,则更有其特殊意义,也即是使叶片由不
同钢材组焊,不仅能确保下段叶片抗汽蚀与
磨损,而且,还从而使叶片上,下接头都成
为同材焊接接头,既节省了不锈钢焊接材
料,又缓和了上,下接头的残余应力.
图5分成三瓣运往电站组焊的转轮
要完成安康新结构的异种钢试验转轮的
研制任务,必须突破以下的关键技术问
题.
（1）120ram厚S135高强度马氏体不
锈钢板的进广后的热处理.
（2）这么厚的高强度不锈钢板如何成
形并蛆焊成所需的下环.
（3）异种钢叶片的接头,用何种焊接
方法才能控制焊接变形和保证焊接质量.
从以上三项关键看来,本课题涉及内容
较广,并不是单纯的焊接工艺研究.为此,
我们成立了综台性的课题研究组,经过三年
多时间的努力,终于完成这一重大科研任
务.现将安康转轮研制情况介绍如下.
1.S135不锈钢板的轧制后的热处理
按负责研制此项钢板的北京钢铁研究总
39
院的规定要求,该钢板轧制后须经1000℃x
3.5h+600℃x7h+590℃x7h的正,回火
热处理,才能使用.供货厂（鞍钢）因炉子
超载不能承担,而我厂的炉子又不适宜正
火.为此,我们先后作了七种不同规范的热
处理试验,旨在寻找一种可取代正火的热处
理规范.最后,终于找到了620℃x9h+
600℃x7h两次回火的热处理规范.处理后
的机械性能和金相组织与北京钢铁研究总院
正,回火所得的结果一致（见表2）,其金
相组识也是回火马氏体和逆转奥氏体.该热
处翌规范得到北京钢铁研究总院的肯定和赞
赏.
2.下环成形
因当时鞍钢只能轧制1300ram宽120ram
厚的$135钢板,因此安康转轮下环须分八
瓣成形.按常规,此种锥体形下环应由滚板
机成形,估算约须有1600t滚板机才能胜任.
我厂现有滚板机远不能满足此项需要.我们
曾与杭州锅炉厂联系协作,该厂拥有2400t
大型滚板机,从能力来说是足够的,但因该厂
无滚卷锥形体的经验,没有把握.最后只能
借助第二重型机器厂用3150t锻压水压机来
成形.用此项非常规方法成形,操作难度与
劳动强度均很大,须由吊车和50t夹持锻坯
用的操作机联用来移动下环扇形板坯,极为
费事.经多次摸索,终于掌握其成形诀窍,
也即除了须在水压机上用长1.5m的弧形样
板测量下环大小口的弧度外,尚须测量45.
下环大小口的弦长和两者对角线的弦长,并
在压形时使钢板上的标志线（压线）尽可能
与上砧座一致.最后,须在平台上再次复查
上述尺寸,井用角度样板卡量45.下环的锥
度.
40
3.下环组焊
由钢板制作的下环,除小型转轮外,均
须分瓣拼焊,只是分瓣数与拼焊方法不同而
已.如上述大古力7O0MW水轮机的钢板下
环,就是分成四瓣后,由电渣焊组焊的.该
下环外径为9900ram,分上,下两段拼焊,每
瓣的环缝在厂内藉变位机进行电渣焊.而
后,为便于焊接和减少变形,在焊分瓣接头
时,将接头用3英寸钢袄组成矩形断面后,再
用电渣焊将四瓣下环组焊成两个180.下
环,加工及运至电站后,仍按上述方式组焊
成整个下环（见图6[‘））.
铆
囤6分上,下两段由钢板拼焊的
太古力水轮机转轮下环
该下环系用ASTMA516-70碳素锅炉
钢板制造,焊接并不困难.而不锈钢板的下
环的拼焊,国外（特别是苏联）已使用不少
（表1已列了一部分）,可是,却未见具体
焊接工艺方法的报导,只知00Cr12Ni3Cu
这类不锈钢须采用150℃预热焊接措施.
至于安康下环0Crl3Ni5Mo不锈钢,虽
然已知其焊接性能远优于00Crl2Ni3Cu不
锈钢,但用电渣焊情况如何,能否在焊后作
消应圊火即可使用,却找不到答案.因为这
些问题不仅涉及到下环能否用电渣焊拼焊,
而且,也同样关系到安康异种钢担焊叶片能
否采用电渣焊.
日本三菱公司曾对0Crl3Ni1和0Ci’13一
Ni3.8不锈钢用于转轮问题作过电渣焊研
究.从他们的研究结果来看,并不令人满
意.虽然是能采用电渣焊,且也说了这些不
锈钢的电渣焊规范可与碳钢规范一致,但由
于接头热影响区的韧性很低,须在焊后经消
应回火及作950℃×5h正火及600℃x1oh
回火,才能达到表3所示的接头与焊缝的机
械性能.两者的水下疲劳强度和抗汽蚀性能
则均优于0Crl3Nil和0Crl3Ni3.8不锈锕母
材c],但未阐明要否预热和采用何种焊
剂.
表30Crl3N’i3.8不锈钢电渣焊接头经正,回火后的机械性能
aSa矗
l莒汪AK翱抒斌掸熹刖
（MPa）（）（I）
0Or1sNi3.8坪琏叠?
.2900.j19.Bl●8.B
100ram犀戎件77.4
蚌接接岳$87.2904.22i.1l57.1
诚囊汪虞z5℃
所用蚌芷OCr13Nij.8
14℃
此项试验给果并未用于实际转轮的制
造.
0Crl3Ni3.8不锈钢,实际与0Crl3Ni4
不锈钢属同一类型,其Ni的含量与
0Crl3NiSMo不锈钢也相差不多就焊接
性能而言,两者也相差不多,按说在电渣
焊后,接头韧性是不会报低的.之所以会这
样,主要是焊丝选用不当,不足弥补焊时合
金元素的烧损（特别是铬）.为此,我们知
难而进,首先从焊丝着手,采用铬镍含量
高,含碳虽很低的00CrlTNi6Mo型的LSS一
暑21焊丝（3）,其主要化学成分tCt
≤0.02%,Cr:
16~18,Ni:
5.5～.0,
Mo{0.8～I.2.其次是选择电渣焊
焊剂,要求焊剂能在焊耐使熔渣具有较大的
表面张力,以有效地防止出现未熔透（这是
不锈锕电渣焊的常见病）.由于国内很少应
用不锈钢的电渣焊,无可供使用的焊剂,故
最后决定仿效苏联的ANF-14不锈钢电渣
焊所用的焊剂,并委托自贡焊条厂熔炼,其
成分为lCaF={6.5%,SiO2l16%,
CaO:
3%,MgO:
6,AI2O8{10.
用上述焊丝,焊剂对120mm厚
0Crl3NiSMo不锈钢板作电渣焊试验,试验
给果表明,该钢可焊性良好,可在不预热条
件下,采甩与碳钢相同的焊接规范进行焊接,
由于焊丝内的铬钼等元素存在,能在电渣焊
过大热输入情况下,阻碍过热区晶粒的长
大,故焊后母材过热区内晶粒并没有明显变
粗,该区金相组织依然为淬火的板条状马氏
体.这样,就使所焊的接头在回火状态的强
度与韧性均不亚于正火后的性能（见表4）
0Crl3NiSMo钢电渣焊接头各部位的率
击值见表5.
表40Cri3NiSMo钢电渣焊接头在不同热处理获态下的机械性能
接击热处
理杜古
接击的机械性毹
———丁_——r一一j部——————,—......
.,.....———..～————
j—————————I
I
（MPa）l（%）I
坪
l771.6/852.25..5/~.,03e.5/脚~o.,5;f1口oj.o,1o52.Tl5.o,6.5l:
2.5,5口,Bl点县心部62O℃消I}}55G.8759.784,712.01’12.
5怕.55.￡’表层
立力回丸56O.2,56口.5T¨.T,9.’12.5,15.口’2.51.E『?
鄙
950℃正支560.2158i.;791.’/Tgi.oi4.oll6.o5g.64.O表层
6口O℃回扎5B5.slS~s.OT86.,TgT.j16.5,1e.口58.62.l心部
表50Crl3NisMo钢电渣焊接头在不同热处理状态下各部位的冲击值AKu（J）
lllIl蚌惑j皂-屠（平均）l
.
7J柏.5l?
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115.61OT.5102.51叽.6
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620℃x曲曰史
121.997.59G.5B2.5
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袁屡105.81Ot.91Of.91口6.6
950℃×4h
11g.495.896.T96.9
620℃×Sh正.曰支J郜
105.61O0.895.O06.6
表4,表5的试验结果说明,
0Crl3NIsMo钢在电渣焊后采用620℃消应
回火,其接头的性能,虽未达到正,回火水
平,但已满足设计要求,是可以接受的.
八瓣45.环统组装后,割去余料,加工
端面,组成四瓣90.下环,在常规的电渣焊
拼焊立架上拼焊很顺利.在随后立车加工时,
各接头未发现任何焊接缺陷.但是,实践证
明,9O.下环在拼焊时,藉径向所焊的拉筋
及接头上的连接板是难以防止焊后变形的.
为此,四瓣下环焊后又委托第二重型机器厂
在水压机上进行校形.此时,由于工件外形
较大,操作甚为困难.为此,最后在拼焊成
180.下环时,改由手工焊焊接.
4.异种钢叶片的电渣焊
异种钢叶片的电渣焊是三峡转轮焊接工
艺研究中的最关键项目,具有极大的技术难
度,因为国内外并无实际的经验可供借鉴.
苏联曾探索过上冠,下环为2OMnSi钢,叶
片为0Crl2NiCu钢组焊转轮的电渣焊,认
为用04Ni3Mo型的熔焊金属可获最佳结
果.）.由于没有具体的试验数据,不足为
信.因此,我们决定自行摸索.
根据我们的异种钢转轮焊接经验,焊接
图1这样的尽种钢叶片,可以有两种焊接方
案,一是熔化极气保护半自动焊（用以取代
原手工焊）,另一是电渣焊.我们对这两种
方法均作了比较试验,试验结果均能满足在
回火状态下使用,但前者的过渡层较简单,
只预用Cr16Ni25Mo材料（奥507焊条）堆
焊6~Smm厚即能满足,其效果要优于现采
用的CrlSNil2Mo2V.而电渣焊则大为不
同,因为其熔深大于20ram.因此,就须大
幅度地增加过渡层的厚度,或者采用Cr,
Ni含量较高的焊丝作无过渡层的直接焊接,
以补偿焊缝被碳钢所稀释.考虑三峡转轮叶
片将厚达300mm左右,焊接工作量特别大,
因此,决定选用熔嘴电渣焊,对该异种钢置简图
装配前,两段叶片的接头侧及泄水边都
经过加工（后者留10ram精加工余量）,叶
片正,背面也各留10ram左右的修磨余量.
由于叶片正面所留余量不很均匀,这就增加
了组装的难度.
叶片的电渣焊采用由郑州机械所与驻马
店电焊机厂研制的三熔嘴电渣焊机进行焊
接.每叶片的20MnSi钢侧堆焊有约30ram
厚的过渡层.该过渡层先由Cr16Ni25Mo焊
43
条堆焊10ram,其余均由0CrlTNi6Mo型
LSE一821S焊条堆焊.
叶片接头长1450ram,最大的焊接断面
为155mm左右.因此,只需采用双焙嘴的
电渣焊,并在厚60ram以下区段采用单熔
嘴,两熔嘴按叶片断面弯制后插装于接头的
间隙内（见图8所示）.
熔嘴管为ICrlSNigTi机5×5无缝钢
管,焊丝为30Crl7NigMo（即LSS一821
S）.由于是变断面电渣焊,故两侧用分段
的水冷锕模强制冷却成形.
为减小熔潦,采用以下焊接规范:
（每
根）
焊接电流.35~40V
焊接电流;550~600A
焊剂:
ANF一”
安康转轮共l4个叶片,每叶片焊接时间
为2h.为改善正,背面焊缝的成形,要求焊
前使叶片接头基本处于垂直位置,并使熔嘴
始终位于接头中心位置.
叶片电渣焊后,作中间消应回火,焊缝
及其附近区域打磨后,进行超声波探伤.此
种异种钢焊接接头的探伤,在国内尚无标
准,通过标准试件的试探和实测比较,已有
一
定把握,可以找出存在缺陷的部位.
由于研究的熔嘴电渣焊机的送丝机构不
够理想,致使焊丝校直与输送时常出现故
障,使焊接过程中断,须在焊后作局部修
补.
5.安康转轮组扞
安康新结构试验转转的装配与焊接,与
我们以往所焊的分瓣焊接转轮并无实质性区
别,也是采取整体一次装配后焊接.由于上
段叶片系2OMnSi钢,既便于切割余料及坡
口,又可与上冠以J507结构钢焊条焊接.下段
叶片与下环又同属0Crl3NiSMo不锈钢,可
用LES-821S焊条作同材焊接.只是两者的
44
预热温度有差别,前者为80℃,后者为
120℃.
转轮与过去最大不同之处是,下环外多
了一个A3钢衬环（参看图1）,该衬环的
上,下环缝用Cr18Ni12MoV型焊条,在叶
片上下接头焊接过程中穿插进行焊接.
转轮焊后,仍按常规整体进炉作消应热
处理,经铲磨与加工,未发现叶片的上,
中,下各焊缝以及衬环焊缝有异常现象.
6.结论
此项新结构与新材料的异种钢转轮的焊
接试验和研制,总的说来是成功的,尽管还
有待于实际运行检验,但有的已见端倪,可
以肯定.有的则还有待于进一步完善,提
高.
可以肯定韵有以下几项:
（1）此项异种钢结构焊接转轮比过去
优越,既可免除堆焊,又可使叶片上,下接
头变成同种钢焊接接头,从而消除了这两接
头上的脆性扩散层,并缓和了异种钢接头的
残余应力.
（2）下环采用S135高强度不锈钢板
制造,既能确保下环毛坯质量,又可大幅度
地减少截面厚度与加工工作量,取得较大经
济效益.在目前无大型滚扳机的情况下,借
助水压机成形下环也是可取的,而且,它还
蕴藏有很大潜力.
（3）0CrI3NI5Mo不锈钢具有良好的
焊接性能,特别是还适台于电渣焊,用
0Crl7Ni6Mo焊丝与ANF一14焊剂焊接后,
在回火状态即具有较高的塑,韧性,可以免
除正火.
（4）异种钢组焊的叶片,在国内外还
是首次应用电渣扞焊接,遥过采用加焊过菠
层的措施,证明是可行的.在今后焊接三蚨
等大截面的叶片时可显示它的巨大威力.
有待完善之处则有t
二滩电站561MW水轮机模型水力研究
彭钧鉴
摘要
本文阐述:
滩电站56lMW水轮机参数选择,转轮,蜗壳,尾水管等主要通液
部件的水力设计与试验,并介绍7若干研究成果.
二滩电蟊占位于四川省攀枝花市附近的雅
砻江上电站为重力拱坝,坝后式地下厂
房,是我国目前正在兴建中的最大电站.该
电站主要参数如下:
正常高水位1200m
耒鹤时间:
1891丰1月12日
最高水头189.2m
加权平均水头170m
最低水头135m
额定水头t65m
装机容量3300MW
（1）采用堆焊过渡层的办法,既费焊
接材料,叉耗费大量工时,经济性较差,今
后宜进一步研究采用合金含量较高的焊丝,
取消过渡层,直接进行电渣焊.
（2）由于国内较难轧制熔嘴电渣焊所
需的15×5不锈钢无缝钢管,且管外的涂
料在弯制过程中容易剥落,加之,熔嘴电渣
焊机的质量问题尚来解决,因此,今后可考
虑改用丝极电渣焊拼焊,并将变断面改为矩
形断面,以缩短制造周期,减少手工劳动
盈.
（3）下环的分瓣拼焊,采用电渣焊拼
焊,虽然效率高,焊接质量好,但不易控制
焊接变形.在当前没有大型滚板机校形的情
况下,只能采取整圆组装,加焊拉筋的办
法,用手工焊焊接.
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