125MW機(jī)組汽輪機(jī)低壓缸焊接變形及處理
1 概述
酒鋼熱電廠技改工程1號(hào)汽輪機(jī)組是東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的超高壓、一次中間再熱、單軸、雙排汽、抽凝式汽輪機(jī)，型號(hào)為125/114-13.2/0.245/535/535，該機(jī)組為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的同類型機(jī)組第一臺(tái)機(jī)組，也是國(guó)內(nèi)該種結(jié)構(gòu)形式的第一臺(tái)機(jī)組。
酒鋼宏晟1號(hào)汽輪機(jī)本體安裝從2002年3月18日開(kāi)始，低壓缸為現(xiàn)場(chǎng)組裝。東汽廠生產(chǎn)的低壓缸分前中后三段，采用螺栓組合后形成兩條圓周接縫，組合后按圖紙要求該接縫需進(jìn)行密封焊接，根據(jù)東汽廠圖紙標(biāo)識(shí)該密封焊為滿焊，焊條選用E4303，規(guī)格為φ3.2mm。焊接坡口形式為“V”型，坡口寬度為50mm，深度為30mm，對(duì)接坡口錯(cuò)邊量達(dá)10~15mm，錯(cuò)邊量占整條焊縫的1/4。低壓缸結(jié)構(gòu)形式為上下兩半組成，上下兩半分別由前、中、后三部分組成，各部分均由焊接形式組合而成，低壓缸主要用材為Q235鋼，缸體厚度為20mm鋼板，其垂直結(jié)構(gòu)合面與水平結(jié)合面法蘭寬度均為220mm，厚度60mm，其外形結(jié)構(gòu)如圖1.
另外，除對(duì)低壓缸散件現(xiàn)場(chǎng)組焊外，圖紙要求將低壓缸內(nèi)部連接板以及撐管也在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組焊，其中撐管只在汽缸下部分分布，為左右對(duì)稱，其作用為加強(qiáng)汽缸前、中、后剛性連接強(qiáng)度，而連接筋板只有汽缸上部有，共4塊，左右各布置兩塊，其作用也是為了加強(qiáng)汽缸上部的剛性強(qiáng)度。詳情見(jiàn)圖2。
結(jié)合面焊接、筋板焊接、撐管焊接焊縫具體如圖3所示。
2 低壓缸現(xiàn)場(chǎng)組焊產(chǎn)生變形的情況
安裝單位根據(jù)東汽廠圖紙要求，編寫(xiě)密封焊技術(shù)措施。經(jīng)專業(yè)技術(shù)員審批同意后，焊接人員嚴(yán)格按焊接技術(shù)措施進(jìn)行焊接，東汽廠駐工地代表在現(xiàn)場(chǎng)全過(guò)程監(jiān)督，當(dāng)焊接完畢后，為防止焊接變形，對(duì)焊縫進(jìn)行對(duì)稱錘擊消除應(yīng)力，待汽缸冷卻至室溫后，松開(kāi)汽缸中分面螺栓，發(fā)現(xiàn)汽缸嚴(yán)重變形，在自由狀態(tài)下，汽缸中分面間隙達(dá)到1.6mm（標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.25mm），臺(tái)板與汽缸底部支撐面間隙最大達(dá)到0.25mm（焊接前測(cè)量時(shí)0.03mm塞尺寸不入），前后汽封洼窩處最大錯(cuò)口量達(dá)2mm（焊接前前后汽封無(wú)錯(cuò)口）。中分面間隙頒分布如下圖4.
3 低壓缸中分面變形原因剖析
3.1密封焊變形應(yīng)力分析
由于低壓缸中分面兩道密封焊，焊接填充量過(guò)大，根據(jù)密封焊接時(shí)的受力分析，缸的密封焊對(duì)汽缸變形的影響如圖5所示。
圖5為上汽缸在密封焊接時(shí)的受力分析，因上汽缸組合后為半弧形圓筒，上面以弧型封閉，下中分面為“口”字敞口。F1與F2：F3與F4：分別為密封焊接時(shí)汽缸后中與前中之間的作用力（焊接時(shí)融化的金屬冷卻收縮形成拉應(yīng)力），其力使汽缸后與前中構(gòu)成互相拉緊的作用：F5和F6為一相對(duì)作用，由汽缸中分面螺栓緊固而產(chǎn)生，F(xiàn)1與F5、F4與F6分別為一對(duì)作用力與反作用力，其作用使汽缸在密封焊接時(shí)各部們受力不均故而存在較大的內(nèi)應(yīng)力：而F7、F8與F9、F10同樣由于緊固和熱應(yīng)力，使汽缸在自由狀態(tài)下缸體兩翼上翹，結(jié)合面出現(xiàn)間隙。變形的大小取決于焊接的方法與焊接量的大小程度。
3.2 上缸連接板的焊接對(duì)汽缸變形的影響
圖2中B-B剖視圖與下上缸后端汽封如圖6所示。
上缸的各連接筋板在汽缸組合前，分別與其端汽封加強(qiáng)板連在一起，中部如圖2B-B中所示在中部與下部連在一起，且傾斜向上向調(diào)端與電端。在汽缸組合后，為了加強(qiáng)上缸的剛性，必須將前、中、后中筋用中間連接板進(jìn)行連接。筋板焊接如圖7所示。連接焊接時(shí)的受力如圖7所示。
由以上的受力分析可知，在連接板焊接時(shí)，前后汽缸要沿軸向?qū)蔷�向內(nèi)縮進(jìn)，使汽缸在整體尺寸縮短：另外因上汽缸主要由20mm的鋼板焊接而成，其剛性較下缸弱得多，因此即使連接板的焊接量很小，但對(duì)汽缸的軸間位移影響很大，所以汽缸組合后的主要變形為焊接連接板時(shí)所引起的汽缸軸向位移的變化。綜合上述應(yīng)力分析，加之各點(diǎn)應(yīng)力大小不均，故汽缸在自由狀態(tài)下成不規(guī)則變形與位移。
4 汽缸變形修復(fù)焊接時(shí)所采取的措施
根據(jù)以上對(duì)缸體產(chǎn)生變形的主要原因分析，修復(fù)過(guò)程中為了校正焊接時(shí)產(chǎn)生的汽缸變形，而采取了以下措施：
4.1汽缸焊接方案總則
4.1.1 焊前嚴(yán)格清理待焊區(qū)域的水分、油脂等雜物，焊條采用E4303 φ3.2、φ4mm并按要求將其烘干。
4.1.2 采取較小電流（第一層 φ3.2，I=80~100A,第二層 φ4 I=130~150A），較快焊接速度進(jìn)行操作。
4.1.3 層間溫度要求控制在60℃以下。
4.1.4 施焊過(guò)程中密切監(jiān)視百分表變化情況，當(dāng)其變化值超過(guò)0.01mm時(shí)應(yīng)停止施焊，待焊縫冷卻后，百分表基本回歸后方可繼續(xù)焊接，并作好記錄。
4.1.5 除打底層焊縫外，其余焊縫采用錘擊程度以百分表數(shù)值向減小變形為原則。
4.1.6所有焊縫要求采用對(duì)稱、分段退焊法進(jìn)行焊接。
4.2 下缸密封焊接方案
4.2.1下缸密封焊時(shí)，是在下缸與上缸汽缸組合好后，在汽機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行，為了能有效地控制由于焊接時(shí)的變形，所以下缸進(jìn)行密封焊接時(shí)，將上缸揭去。
4.2.2 在低壓缸進(jìn)行焊接時(shí)，將汽缸與臺(tái)板的聯(lián)接螺栓以及臺(tái)板的地角螺栓進(jìn)行緊固，同時(shí)將汽缸找平找正。
4.2.3 汽缸焊接監(jiān)控時(shí)的架表如圖8所示。
4.2.4 在焊接時(shí)，A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱焊接，焊接的具體要求參見(jiàn)焊接方案總則的有關(guān)規(guī)定。
4.3 下缸撐管焊接方案
4.3.1 在下缸密封焊接完成后，可進(jìn)行其撐管的焊接，在焊接時(shí)，架表的方式與其密封焊接時(shí)的形同。
4.3.2 焊接時(shí)的順序A、B、C、D四個(gè)點(diǎn)應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，具體如圖9所示。
4.3.3 焊接的要求參見(jiàn)焊接方案總則的具體要求。
4.4. 上缸密封焊與聯(lián)接板焊接的方案
4.4.1 在下缸所有焊接完畢后，可將上缸就位，并且將中部上下缸水平中分面左右的定位銷安裝完畢，中部汽缸水平中分面螺栓與定位銷暫時(shí)不進(jìn)行安裝，但是定位銷在自由狀態(tài)下能夠安裝上，然后可進(jìn)行密封焊與連接板焊接工作。
4.4.2 在焊接之前，首先架表測(cè)量好焊接之前的各種原始數(shù)據(jù)，并作好記錄，以備焊前與焊后的熱變形原因分析。
4.4.3 根據(jù)上汽缸的密封焊與連接板焊接時(shí)汽缸熱變形的分析，密封焊與連接板的焊接引起汽缸熱變形的方向剛好相反，但由于上缸的剛性較弱，所以連接板在焊接時(shí)引起的熱變形要比密封焊接時(shí)引起的熱變形大，因此在要控制重點(diǎn)，密封焊與連接板的焊接要交叉進(jìn)行，使得焊接的熱變形降低到最低的程度。
4.4.4 在焊接時(shí)，要嚴(yán)格按照焊接總則的要求來(lái)執(zhí)行。
4.4.5 在焊接連接板時(shí)，應(yīng)將四塊連接板一邊首先分別與其加強(qiáng)板的另一邊進(jìn)行焊接，在進(jìn)行另一邊焊接時(shí)要與密封焊接配合進(jìn)行。
4.4.6 密封焊與連接板的焊接要對(duì)稱進(jìn)行，但是在具體焊接過(guò)程中，先焊什么，后焊什么要根據(jù)具體的熱變形來(lái)分別對(duì)待。
4.4.7 密封焊接的順序如圖10所示。
4.4.8 因?yàn)橛袃傻篮缚p，在焊接時(shí)每條焊縫應(yīng)有兩個(gè)焊工，所以應(yīng)有4個(gè)焊工同時(shí)進(jìn)行對(duì)稱焊接。
4.4.9 焊接時(shí)的架表方式除以上的架表方式外，還應(yīng)增加4塊表進(jìn)行監(jiān)控汽缸垂直向上變化的趨勢(shì)，具體如圖11所示：
4.4.10 另外，因?yàn)槠状怪苯Y(jié)合面要進(jìn)行密封焊，所以所要焊接的部位的法蘭結(jié)合面不再涂抹密封材料，以免由于在焊接時(shí)高溫的狀態(tài)下使密封材料汽化，而使密封焊縫產(chǎn)生裂紋。
5低壓缸中分面處理經(jīng)過(guò)
首先選用碳弧氣刨分段割除原焊縫，當(dāng)焊縫刨至剩余3~4mm左右時(shí)，聽(tīng)到一聲巨響，整條焊縫裂開(kāi)，證明焊縫的焊接應(yīng)力較大，待焊縫冷卻至室溫測(cè)量中分面間隙，沒(méi)有恢復(fù)到焊前水平，低壓缸汽封依然有1.5mm的總錯(cuò)位量。經(jīng)分析認(rèn)為，低壓缸內(nèi)部連接板和支撐管還在起作用需全部割除。經(jīng)過(guò)割除所有連接板和支撐管后，并重新進(jìn)行了焊接，焊接時(shí)，上缸體通過(guò)支撐或拉伸的辦法使缸體變形部位有一個(gè)反變形量，在變形中分面處布置至少12只千分表如圖8焊接時(shí)，觀察千分表的變化，同時(shí)每次施焊量較少，邊焊接邊冷卻，觀察缸體變形，從而控制千接變形量，使汽封錯(cuò)位是不是減小到0.19mm，符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。
6控制汽缸焊接熱變形修復(fù)處理最終效果6.1 汽缸軸向方向的最大變形量為0.19mm(廠家要求小于0.30mm):左右方向的最大變形量為0.03mm。
以上的各方向的變形量對(duì)汽缸的安裝質(zhì)量基本不產(chǎn)生影響，所以完全達(dá)到預(yù)期的目的。
根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)，在2機(jī)低壓缸現(xiàn)場(chǎng)組合施焊中，嚴(yán)格按照上述經(jīng)驗(yàn)，使2機(jī)低壓缸一次施焊完全達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。
1機(jī)組在2004年5月份進(jìn)行安裝運(yùn)行后首次解體檢查，低壓汽缸沒(méi)有變化，證明安裝中的變形處理是合理有效的。
7結(jié)論
雖然金屬大件進(jìn)行焊接時(shí)產(chǎn)生的熱變形很大，但是只要認(rèn)真地分析好引起變形的主次原因，采取確實(shí)有效可行的焊接施工措施，在施工過(guò)程中，就完全能夠控制焊接時(shí)的熱變形。
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