高水头水轮机转轮焊接技术分析

高水头水轮机转轮焊接技术分析

蒋坤臣

（杭州睿博水电科技有限公司浙江杭州311215）

摘要：由于高水头水轮机的工作强度，对水轮机转轮的焊接提出了更高的质量要求。因为转轮的设计上留有较小的制作空间，难以进行整体组装焊接，因此采用分体使焊接，要注意的是在众多焊接技术中进行合理的选择及质量控制。本文简要概述了水轮机的种类及应用要求，明确了在工程中应用到的焊接技术，并且应用模拟实验证明了分体焊接满足转轮的工作需求，提升焊接质量，同时作为参考，提升我国焊接水平。

关键词：高水头；水轮机；焊接技术

一、水轮机及高水头水轮机简介

水轮机是将水流能量转化为旋转机械能的动力设备，是流体机械中的透平机械，水轮机最早的出行是出现在公元前100年的中国的水轮，当时的作用是对河流水或蓄水渠的水源进行提灌或进行粮食加工。现代化的水轮机主要用途在于驱动水电站的发电。具体发电流程是将上游水库水引流至水轮机，从而推动水轮机的转轮运动，带动发电机进行发电。当作功后，水排向下游，上游的水头越高，水流量也就越大，水轮机能够创造的电能就越大，输出功率越大，对于水轮机质量的要求也就越高。

依照工作原理，可以将水轮机分为冲击式水轮机以及反击式水轮机。冲击式水轮机的转轮在受到水轮冲击后进行动作，在工作过程中，水流的压力基本保持一致，其作功实质是动能的转化；反击式水轮机受水流反作用力动作，在工作中的水流压力会有变化，作功的实质就是对压力能的转换。

经过实验分析，当圆周速度为水流速一半时，冲击式水轮机工作的效率最高，在水轮机负荷转变时，转轮进水速度方向保持一致，且设备常用作与高水头处，水头没有明显变化，因此流速的变化不明显，负荷的变化对效率影响不大。

二、施工中常用的焊接技术简介

焊接技术是在高温高压情况下，应用焊接材料将两块材料进行融化链接成为一个整体的操作。焊接技术伴随着金属的应用而出现，在古代的焊接方法有铸焊、钎焊、锻焊。现阶段常用到的焊接方法有电弧焊、氩弧焊、保护焊、激光焊接等，非金属材料在经过特殊的工艺后也可以与金属进行焊接。

焊接是一个在小范围内进行快速加热再冷却的过程，在焊接中由于母体的拘束不能进行形态变化，但是在冷却中，会产生一定的变形，因此要在焊接前应充分考虑材料的收缩，采取合理的工装控制焊接的变形量。

三、高水头水轮机转轮焊接中的质量控制

（一）水轮机参数

实例中采用的挪威斯瓦森电站混流式水轮机型号为HL（RP）-LJ-220，其额定出力为250MW，额定水头为543米，水轮机转速为每分钟375转，转轮出口直径为2200毫米，转轮进口直径为3885毫米，转轮高度为1465毫米，转轮自身重量为26吨，叶片为15+15带X形的长短叶片结构，共30张叶片，叶片材料采用06Cr13Ni4Mo钢板热压而成，上冠下环采用铸钢06Cr13Ni4Mo材料。

（二）水轮机转轮装配

1.总体焊接

由于转轮具有较小的进口直径，较多的叶片数量，决定了转轮叶片的焊接空间及打磨制作的空间都较小。为了使转轮制作的更为整体化，对此做出探究，应采用UG三维软件对转轮进行造型，模拟操作，测试出下环侧出水变的正压侧在300毫米内是无法进行焊接的。因此我们采用分体制作的方案。其制造步骤为先将叶片与下环进行组装，采用三维测量叶片的开口和进出口角，各几何参数符合设计要求后对叶片进行点焊加固，并焊接必要的工装确保焊接时叶片不移位；焊接完成后对焊缝进行打磨和探伤检查，合格后对上冠进行预装，检查尺寸后进行上冠侧焊缝进行焊接，焊接后对焊缝进行打磨和探伤检查，尺寸合格后去除工装，最后进行热处理、加工、静平衡。

在设计中要求转轮叶片设计的误差控制在1.5毫米上下，在公差区间要求在焊接的环节上严格控制焊接造成的变形，并且要提前预测出叶片的变形量，设置好安装前的反变形量。依据转轮叶片的变形趋势，转轮叶片的变形是向正压侧旋转，因此组装的叶片出水断面负压及叶片出水变断面负压侧设置反变形量。在叶片组装中，先采取定位板进行初步定位，确保叶片的安装位置精准。应用三维坐标测量仪控制组装尺寸及反变形量，及时的检测调整组装位置。

对于转轮焊接的收缩余量控制，要防止焊接后的上冠与下环之间的转轮进口高度超出设计值，因此在组装中，要预留出3毫米的焊接收缩余量，并且要在二者之间加装支撑固定装置。如果因为二者间坡口产生过大的间隙以及收缩变形，就要对叶片钝边的部位间隙控制在1毫米之内。焊接坡口则间隙控制在3毫米，如果转轮开口过大，则需要进行钨极氩弧焊堆焊处理，如开口过小则采用加工的方法去除多余的余量。

2.转轮焊接

转轮所应用的材料为低碳马氏体不锈钢，并采用VOD精炼技术，转轮在焊接时应用马氏体不锈钢焊接材料进行焊接，应用的焊接材料的化学成分与转轮本体材料相匹配。焊接中应用的材料及质量分数为：百分之0.02的C元素，百分之0.6的Si元素，百分之1.57的Mn元素，百分之5.65的Ni元素，百分之16.5的Cr元素，百分之0.53的Mo元素，百分之0.06的Cu元素，百分之0.053的Ti元素，严格控制P和S的含量。

要提升转轮的焊接质量，要在焊接前对焊接面积进行深层、全面的清理，将有焊道上的油污、杂质等清理干净，防止气孔留有残渣，导致焊接存在缺陷。在焊接时，应用磁性加热片使转轮达到100摄氏度，保证在焊接中温差变化，以防止在焊接中出现冷裂纹。在应用熔化极气体保护焊焊接的工程中要对工艺参数进行严格的控制，应用小而多的焊接热输入，进行焊接，以降低叶片变形率。

以分体组装方式对转轮进行焊接，在与叶片下环进行单体焊接时，要注意控制焊接变形。在焊接中叶片用K型坡口对称焊接，叶片的正压侧与负压侧都采用三段焊接对焊缝进行闭合，且正压侧与负压侧要同时对称进行焊缝焊接。

具体的操作方式为，在每一阶段的焊接时，应用十字对称将4个叶片焊接，之后应用FARO技术对叶片进行三维坐标检测，根据检测结果进行叶片的焊接顺序调整。在焊接完成后再次进行三维坐标检测。从记录表的结果明确叶片检测的变形量在进行焊接顺序调整直至满足设计需求的1.5毫米偏差。[3]

总结：高水头的转轮在整体焊接时空间较小，对于公差有较高的要求，且制作难度过大。通过在焊接过程中的高标准要求，对变形进行了措施控制，应用分体制作的方式达到转轮设计要求。高水头转轮的成功焊接制作，开创了转轮制作的信访室，为之后的转轮制作提供了极具价值的参考。

参考文献：

[1]《水轮机设计手册》，哈尔滨大电机研究所编著，机械工业出版社。

[2]《睿博挪威水轮机设计手册》。

[3]韩海霞.水轮机转轮叶片裂纹及磨损缺陷的焊接修复研究[J].南昌工程学院，2015