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1、doc 三峡机组异钢转轮焊接工艺研究三峡机组异钢转轮焊接工艺研究/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oCrl3NISMoI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

2、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33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

3、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I52Omm)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

4、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Cr20Ni102.5Mo的奥氏体不锈钢过渡层,经620640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50150,焊后作580600回火,焊缝用着色渗

5、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Ac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0Crl2NiCuOOCr12Mi3C

6、u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700MW9250mm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,

7、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3O4O.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

8、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1000x3.5h+600x7h+590x7h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620x9h+600x7h两次回火的热处理规范.处理后的机械性能和金相组织

9、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

10、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.403.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

11、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

12、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0Ci13一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9505h正火及600x1oh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30Crl3Ni3.8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

13、斌掸熹刖(MPa)()(I)0Or1sNi3.8坪琏叠?.2900.j19.Bl8.B100ram犀戎件77.4蚌接接岳$87.2904.22i.1l57.1诚囊汪虞z5所用蚌芷OCr13Nij.814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

14、21焊丝(3),其主要化学成分tCt0.02%,Cr:1618,Ni:5.5.0,Mo0.8I.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,AI2O810.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

15、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,.,.jII(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I55G.8759.784,712.0112.5怕

16、.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.slSs.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?2I42lillr115.61OT.5102.51叽.6曩屡116.:994107.592620x曲曰史121.997.59G.5B2.5?靠T1.j9j.2e1.j91.j袁屡105.81Ot.91Of.91

17、口6.69504h11g.495.896.T96.9620Sh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

18、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Cr16Ni

19、25Mo材料(奥507焊条)堆焊6Smm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.

20、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55无缝钢管,焊丝为30Crl7NigMo(即LSS一821S).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.3540V焊接电流;550600A焊剂:ANF一”安康

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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155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.参考文献fr.A.BpomoecEr.Teo0_trpotr6ocTp0eH_.m期斑rpa:MH】I口一cfpoexe.18792B.H.

26、3esxa.CBapHtc0e町坤p4一SHOpOHMXcfaeA.MockBa:Mam宜】l0cfp0eH.19665M.G.Hipkinset4I.TheWeldingofSteelCasting.BritishWeldingJoufa!.1864(8):翮B;9;率苯姜.太型水电霞备挂术孝察日赴共国加争太,巴西,委一稿拉四日拄术幸察报告.末方电机.1985(1):26489E.W.Rowlaads.WorIdlsLargestTur-hintRnnef0.WeldLagDesignandFahriatloa.19n(10):78786机械部持拉卅.太电机,水轮机幸l连技术7佳毒昭三.屯渣耳太型水轮机斡格峙音I连.二童工拄报.1992(4)2T325