5东方电机62009年第6期国内混流式水轮机转轮制造的技术进步郑本英摘要混流式水轮机转轮是水电机组中制造难度最大的部件之一,各国都为此倾注了很大心血\"随着机组单机容量的不断增大,转轮直径也随之增大,促使转轮自其毛胚材料!结构乃至工艺出现巨大变化\"本文依据半世纪以来国际!国内大型转轮制造历程,重点介绍了国内在转轮制造中取得的成就\"关键词混流式水轮机转轮结构工艺引言且在转轮制造上不断推陈出新,屡创佳绩,充分体现了焊接转轮的优越性,直至优质地完成三峡机组这一当今世界最大的整体不锈钢焊接转轮\"我国自1950年代初开始制造水轮机,从SO0kW起,尾随欧美发达国家的步伐,起步较晚\"先是向前苏联学习,颇有收获,继而扩展至向西欧与美国学习,进一步开阔了视野\"2一鸣惊人的转轮电渣焊从1943年开始陆续投入运行的丰满电厂机组中,就能看到早年瑞士爱舍维斯!德国福伊特!日本日立公司以及列宁格勒金属工厂等国运行半世纪的机组转轮,虽大多为整体铸造,但制造精度并不差\"而国内当时40年来,我们在焊接转轮上创造了不凡业绩\"转轮变截面的熔嘴电渣焊,原是由前苏联在1950年代焊接铸焊结构水轮机座环之后发展起来的,而后,又采用此法焊接了布拉茨克(杯m)!克拉雅尔斯克(中8650)还无专业水轮机制造厂,直至1953年才有哈电\"1950年代,转轮基本采用铸造方式,质量也并不高,新安江电站整铸转轮上冠叶片进口端即有成片钢包砂未经处理便出厂\"至1960年代,转轮仍是铸或分铸拼焊并举,尚未显示出焊接转轮的优越性\"如刘家峡电站杯.sm转轮仍采用铸造(一重系整铸割成两半.沈重则为分半铸造);二重也不例外,为东电首台机组(双牌电站45Mw水机组碳钢转轮和阿斯旺饰7100~)OCr12NICu不锈钢转轮,但均只焊接了叶片与上冠接头,且布拉茨克转轮焊的还是与轴线垂直的对接接头,此后,便停步不前\"1961年,哈电会同哈焊所效法上述中6200转轮做法,焊接了新安江电站勺机转轮的对接接头\"0年后,二重又在与一重!哈电和哈焊1所共同完成刘家峡转轮叶片与上冠T形接头模拟试件的基础上,完成了杯.sm转轮的轮机)制造了整铸转轮,因技术不过关,下环发生歪斜,最后只能切除叶片,将上冠!下环售与东电\"嗣后,东电从未用过整铸转轮,来稿时间:2009年8月上部T形接头的电渣焊,赶上了前苏联水平\"1974年4月,东电焊接技术人员与工5东方电机62009年第6期人思想,决心攻下叶片与下环接头的电渣焊,一致认为,该接头和上冠接头并无显著差别,只要凭藉工装让转轮倾斜置于接头接近于垂直位置,并调整熔嘴在坡口中的布位即能焊成\"于是,边焊试件边制造简易的转轮倾斜转胎(见图l),并采用安装调位容易的管极熔嘴(有别于上述传统的钢板与钢管组焊的常规熔嘴)\"由于想法对路,一举攻克了这一世界性的电渣焊关键,在国内外引起很大反响\"久负盛名的德国福伊特公司,在AC公司指导下,也用电渣焊焊接了12台依太普电站娜.m7田MW的碳钢转轮,并在上世纪末6用电渣焊焊接了3台五强溪电站帕3m134不锈钢转辍据说还用它焊了泄水锥环缝)\"图2大古力电站7()MW勿嘲.电渣焊结构季引沦X3蜚声中外的异种钢转轮焊接.从国外文献得知,他们对碳钢转轮,都热衷于通过堆焊不锈钢来抗空蚀与磨损,并尽可能采用高效率的自动!半自动焊堆焊,不然便采用不锈钢转轮\"如系模压的碳钢叶片,即采取自动堆焊不锈钢后再模压的方图1用自制倾抖转胎对龚嘴电站looMW机组转轮进行熔嘴电渣焊式\"上述大古力电站700MW转轮则是将叶片铸成上下两段,以便使下段能借助焊胎刚性固定后堆焊,而后随胎具一起退火\"最后,再用电渣焊让上下两段拼焊成一体\"此后,在1977年5认厄terPower&DamConstruction6吻4与两7两期杂志上均有加拿大杜米宁和美国阿里斯查摩(AC)两公司在电站用电渣焊焊接大古力Il600MW与700MW水轮机转轮的报导\"后者的下环系由229mln与2031nnl厚的ASTMAsl6F钢板卷焊(见图2),转轮所焊接头多达50个\"虽然焊接难度甚大,迥异寻常,但也存在较大不足\"因为其叶片采取边装边焊的方式,控制变形极为困难\"而后,美国AC公司又用电渣焊焊接了12台13一的阿斯旺怀.4m我们认为,大面积堆焊叶片难以杜绝堆焊变形,且较难控制最后保持Slmn厚的堆焊层厚度的均匀\"于是,东电自1968年出口阿尔巴尼亚的50MW机组开始,即采用叶片为13一6M\"的不锈钢与碳钢上冠!下环组焊的异种钢焊接转轮\"尽管需耗用较多的不锈钢,但却能控制翼形精度并提高叶片的抗蚀性\"由于可免去复杂的堆焊和打磨过程,因此颇受欢迎\"但该异种钢转轮的焊接,开始时采用哈焊所在碳钢侧堆焊8-1l0n厚的过渡层工艺,加工后再与不锈钢u叶片正式焊接,工艺较为繁琐,且会导致下不锈钢转轮,其下环也由同样成分钢板(厚165nun!140mnl,分上下两段)卷焊\"5东方电机62009年第6期环变形而矫圆\"因堆焊用焊条与而后焊接头焊条并无区别,东电遂改用无过渡层的焊接工艺,并在国内普遍推广使用,还扩大应用至异种钢转轮室等焊接件\"经电站长期运行观察,叶片上下异种钢接头未出现开裂现象\"龙羊峡电站3加MW机组异种钢转轮安全运行15年未出问题,足以证明此种(三峡转轮即如此),以减小叶片在出水边端部的应力\"令人不解的是,小浪底机组300MW的13一4不锈钢焊接转轮(D:为6356nlln)在电站组焊!加工,不料竟是用E309奥氏体焊材焊接,且在焊后未作消应热处理,以致运行半年后便自出水边迅速开裂\"经查,其设计应力偏高(270MPa),最大残余应力又达30lMPa,不符合合同规定的不超过l/3孔的要求(因系低配奥氏体焊接,已不再是13一4不锈钢的\"s),故异常开裂\"经加大过渡R并在出水边加焊补强三角块后,设计结构转轮是可以信赖的,也可说它是富有中国特色的转轮,成为国内传统结构,一直沿用至上世纪末五强溪电站240MW的中8300转轮\"该转轮可谓世界最大直径整体的异种钢焊接转轮,而且还是哈电与福伊特公司合作生产得到德方认可的结构\"他们在16年为三峡转轮选材时,也曾将异种钢转轮作为其第二方案\"应力便由270MPa降至167.5MPa,方止住开裂\"另外,由于该13一4不锈钢转轮带有其它级别的不锈钢焊材,也变成了异种钢结构\"这一点很多人尚未意识到\"正因为异种钢结构焊接转轮的使用已获得高度肯定,遂萌发了把它用于三峡转轮的想法\"但三峡工程非同寻常,需保证百年使用寿命,所以当时为慎重起见,决定优化转轮结构,并制造中间试验转轮\"于是就有至于自199)荆弋以来,何以屡屡有岩滩!(大朝山乃至五强溪等电站大型异种钢焊接转轮出现开裂问题,经初步了解,上述转轮过决开裂的原因多种多样,有的是水力设计存在问题,如有压力脉动!卡门涡(如岩滩与大朝山!李家峡等电站水轮机转轮都存在振动区),有的则是接头工作应力和残余应力过高所致(如五强溪转轮,该转轮不仅是用低匹配奥氏体焊材焊接,焊后也未初肖应热处理),也许尚有水力方面的因素,不然何以其另3台由不锈钢组焊的!等强度的接头也会产生开裂,一两者仅是程度不同而已\"最后,通过加焊补强三角块与修整出水边解决了问题\"无庸讳言,异种钢焊接转轮之所以较同种钢焊接转轮容易开裂,除振动等水力因素外,主要还是因焊接材料为低强度奥氏体焊材,且焊后会出现因母材与焊缝膨胀系数差别导致的回火残余应力,或存在焊接残余应力(焊后不退火时)所致\"因此,设计时必须了如下新结构的安康电站200MW异种钢焊接转轮(如图3所示)\"一杯m一-)~8李获二!二衰智)图3安康电站200MW机组异种钢中间试验转轮结构与以往异种钢转轮不同的是,安康转轮是以叶片3一3截面为界,上部为ZGZOMnsi钢,下部为OCr13Ni5M\"钢(叶片为铸钢,下环为120~厚5135钢板),在下环外加焊衬环,以便加套止漏环\"这样,既可使下环利于抗蚀,又能减少转轮热处理后的残余应留有充分余地,如增大出水边厚度,在上下出水边加焊补强三角块(或附铸于叶水出水边端),并在水力设计上杜绝产生压力脉动与卡门涡等不利因素,优先采用X形叶片5东方电机62009年第6期力,因叶片上下接头均为同种钢焊接接头,并在焊后做到不再加工该法兰面\"另外,为仅叶片中部为异种钢对接接头(且该接头又处于叶片应力较低处),该5135钢板由冶金部钢研院负责研制\"此外,哈电在同期也通过白山电站3ooMW机组作中间试验转轮,不过叶片材料不同而已\"在巧片叶片谨慎起见,还对两下环接头作局部退火处理\"在此基础上作修改后,便成为水电部安装所用的5分瓣转轮下环电站组焊导则6,并在SDJ81一79标准中提出了组焊后法兰面分瓣处的下凹量公差(如直径为5500ln转u轮,不大于0.o7mm)\"上述转轮在电站的成功组焊,奠定了此种分瓣结构转轮的合法地位\"为此,自1960中,有7片为13一5不锈钢,余皆为20N角si钢,其下环采用160mm厚5135钢板组焊\"二者在国内均系首次使用\"上述安康电站水轮机转轮与其它转轮不同之处在于,该叶片是通过在20Mnsi钢一端堆焊过渡层后,再用熔嘴电渣焊组焊(因三峡叶片甚厚,宜用电渣焊拼焊)\"虽然年代起,国内所有中5200以上的转轮,即毫无例外地使用此类机械与焊接相结合的分瓣转轮\"之后,由于水力设计的优化和异种钢转轮的推广使用,该结构更趋复杂,比如用于奇数叶片的转轮,便须沿分瓣处切断叶片,且其叶片乃至下环也由碳钢转为马氏体不锈钢,扩大了转轮在电站的焊接内容,有时要切断的还不仅仅是分瓣处的两个叶片\"该新结构的异种钢转轮迄今运行隋况甚好,但最终三峡总公司在权衡利弊后,还是选择了不锈钢焊接转轮\"不过,经30余年来的实践和总结,异种钢焊接转轮可谓瑕不盖瑜,可以放心使用\"为减少电站焊接工作量与残余应力,原苏联哈尔科夫厂也曾制造过上下均为机械连接的分瓣结构转轮\"被切断叶片的接头,采用每侧只焊25m的非焊透接头,(见图4国际上独树一帜的分瓣结构焊接转轮与上述异种钢转轮一样,分瓣结构转轮),系用于杯m转轮,但此种转轮下环把合4接头的加工甚麻烦,会发生变形,故未推广使用\"也是极具中国特色的水轮机转轮,它在国内自原三门峡机组转轮组焊至今已有半个世纪历史\"相反,国内外对下环等须在电站组焊的分瓣转轮仍情有独钟,得心应手地使用了该项分瓣结构转轮由原苏联列宁格勒金属工厂制造,到电站后,因对方未提供转轮组焊工艺,故由当时的沈鸿副挂帅,组织哈工大教授等研讨该转轮组焊工艺\"30余年,直使用至中s300m(刀,为sooom)的岩滩电站异种钢分瓣转轮\"数十年来,我国已将此分瓣转轮作为大型机组转轮的主导结构,为加快水电建设立下了汗马功劳,并节省了不少额外投资\"试想,若这数十个电站都需提供运输超限的大型整体转轮,那么就得在各电站由于当时无章可循,于是倍加小合地制定了一套较繁复的组焊工艺,诸如:首先焊接下环对接接头模拟试件,并在转轮把合后作刚性劈开试验(即将下环接头用千斤顶顶升至一定间隙,测法兰的分瓣变形),从而确定下环接头的预留间隙和接头内外的焊接顺序,以达到转轮联轴法兰面只有极为微小的下凹变形(且不得在分瓣面出现上凸和错牙),修建一个配置有大型吊车!组焊场地!热处理与单柱立车等设备的厂房,须投资几千万元\"再者,并非所有电站都具有此项条件,故自然不可取\"5东方电机62009年第6期I剖面p,-一/!闷汽沐邃}}l华娜晌次次诬班等等性田翻昭罗-纵向缝接孔图4上冠!下环均为机械连接的转轮这些年来,也发现一些分瓣转轮出现过不尽如人意之处,主要表现在两方面\"一是之前看到此工艺总结,便可少走弯路\"前苏联5动力机器制造6杂志一则关于在电站焊一直径6580t!重160t的不锈钢分瓣转轮的报导,亦令人颇受启发\"文中一是联轴法兰面出现超差变形,甚至发生沿分瓣面回转变形,或产生分瓣处的上凸错牙,此处焊缝呈现开裂\"但其中大多数问题可以避免,甚至还可简化工艺,如取消下环等的介绍了该转轮组焊系用奥氏体不锈钢焊材焊接,焊后也未作热处理;二是讲了为杜绝下环组焊时发生不该有的上冠法兰面变形,焊后消应热处理\"之后,我们发现列宁格勒金属工厂早在制造三门峡电站出口转轮前,采取将主轴作为胎具提前把合于转轮上冠的做法\"已在其首台乌斯基)卡密诺碳钢分瓣转轮的电站组焊总结中指明这一点\"上述首台分瓣结构转轮,原上冠侧采用外部绑环箍紧连接视图5),后因绑环本身直径甚大,运输也麻烦,遂改为图3所示在上冠上附铸法兰用螺栓或销钉把合的结构\"汤喊几于是,本人便建议水电三局采用上述工艺组焊这一三峡中间试验转轮(见图3),得到水电部沙扬林!刘玉林二位同仁支持,并协助水电三局用该工艺成功完成了这一异种钢新结构分瓣转轮,精简了原有一切试验和焊后热处理环节,并使下环接头残余应力降至低水平\"在此项带有大型试验性质的安康转轮上,我们先后获得冶金部!东方电气集团公司的科技进步二等奖各一项及机械部三等奖一项\"纂图5世界上首台在电站组焊下环的转轮此外,在龙羊峡电站320MW水电机组研制上,由于在国内首次成功完成了带有因考虑到转轮下环工作应力甚低,故下环接头仅采用逐层锤击减少应力的措施,未使用局部消应热处理\"若组焊三门峡转轮7叶片的偏心250~1的异种钢分瓣转轮,并确保其安全运行,也获得了机械部科技进步二等奖\"此外,又在该电站上率先成功使5东方电机62009年第6期用硒吧L一TEN62cF调质高强度钢板制造6大型转轮铸造毛坯成功立足国内由于过去相当长的时间里,国内外都认水轮机蜗壳(获机械部科技进步二等奖),为该机荣获省科技进步特等奖和国家科技进步一等奖及产品金奖做出了卓越贡献\"为难以保证大型铸件的质量,转轮也不例外,为此不约而同地将原本拼焊的转轮上冠!下环人为改为分铸拼焊或由厚板卷焊,如大古力电站11机组两种结构电渣焊拼焊5数控加工令转轮制造再上层楼以往,常因叶片翼型加工不善(大多依靠铲磨,仅中小转轮叶片采用钢板模压)导致效率下降,机组运行不稳定\"东电曾对丹江口机组和前苏联三门峡转轮(后迁至丹江口电站,为同一型号的转轮)的翼型作了实测比较,,我公司叶片检查方法有误,都用立体样板,检测的是叶片正面,而别人则为背面,导致偏差,此后得以纠正\"的分铸上冠!克拉雅尔斯克机组分半铸造的电渣焊上冠,以及大古力和克拉雅尔斯克机组等转轮的钢板拼焊下环,均采用不同方式拼焊,并说重量大于50t的铸件就难以保证质量,国内也强调以小拼大!以焊代铸,以至把铸造放在不公正的从属地位\"不过有的国家如日!德等并不这么认为,他们继续使用大型铸钢件,如日立公司1983年采用Cr13NI不锈钢铸!中7170!重13ot的古里电站n机组转轮,1976年还分上下两半铸造全重为112.st的13一4麦卡中6130InlY转轮;德国1983年在巴西整铸中s65omm!重2%t碳钢转轮的上冠!下环等\"他们还在上世纪末整铸过中8300mm五强溪电站重为提高叶片制作精度,我们在数控加工尚未使用前便狠下功夫,包括尽可能使用模压叶片\"它又有一次和两次模压之分,直至1980年代末,西方才将数控加工用于转轮叶片,如瑞士的苏尔寿一爱舍维斯公司,先是用于轴流式水轮机叶片,而后是混流式叶片,除加工的两面外,还可加工各项焊接坡口\"据了解,阿尔斯通公司也是19%年才达到这一步\"国内这方面起步较晚,上世纪末才完成轴流式水轮机叶片试加工\"由于三峡机组采用合作生产,为公司提供培训操作工和编程软件,我们得以迅速掌握此项高新五轴数控叶片加工技术,使三峡等机组叶片加工赶上世界一流水平\"由于能将叶片上下接头的坡口准确铣出,这对随后转轮的组装和焊接乃是梦寐以求的好事,特别是对于难以切割的大截面不216t13一4不锈钢转轮的上冠和下环铸件,足以说明对上述论点有不妥之处\"而后,三峡机组转轮毛坯铸造过程中也证明日!德观点是正确的\"三峡机组主承包与分包方均通过自身或求助韩国!罗马尼亚等国的协作,全都使用了13一4不锈钢上冠!叶片和下环(后者大部分为两半拼焊,但也有是整铸的),仿佛返璞归真\"三峡中10m不锈钢转轮铸件的顺利完成,使国内水机铸件上了一个很大台阶,因为该转轮毛坯严格按照国际通行的锈钢叶片\"由于数控加工叶片的精度比模压叶片高一倍,能与发达国家制造的转轮相抗衡,因此极大地提高了国产水电机组在国际上的竞争力,登上了国际水机制造史上的又一个里程碑\"CCH70一35水力机械铸钢件检验规范腿行验收\"因今后制造的巨型水电机组转轮未必比三峡转轮更大,为此无需仰赖其铸件的进口\"5东方电机62009年第6期7大型整体焊接转轮已能得心应手在电站完成如上文所述,相比整体转轮,分瓣转轮lageFrarneis场draturblneRuner.SymPo-siumonAdvaneedweldingeehTnologyOsaka.Japan.19752Rowlands,E.W.-Wbrld.sLagrestTurbine仍存在如接头强度低!残余应力高及翼型精度差等不足,而整体转轮则可做到尽善尽美,甚至可争取不做静平衡试验,因叶片系数控加工,重量偏差减小,且无分瓣法兰,所以通过对叶片的平衡配置,转轮最后残余不平衡控制在规定范围内已非难事\"法国阿尔斯通公司在三峡工地制作右岸电厂整体Runners..W亡ldingDesignndFaabrieatio几1977(10)33eM3朋.B.H.CBaPHHecoe职He双戏Pa3HoPo职H益cTaIe益.1966J4郑本英.异种钢焊接转轮的制造与应用.东方电机,1999(4)5郑本英.龙羊峡杯米特殊形式异种钢焊接转轮的制造.东方电机,1984(3)6孙\"助eeKHnPaLeMHoroH石Ho一oeeBo盆PoeHn转轮时,已做到这一点\"目前,国内已有好些大型杉任且的整体不锈钢转轮改由工地制作,且转轮加工也以用单柱立车居多,不再使用简易加工装置,以进一步提高加工质量和进度\"龙滩!景洪!岩滩(改造)!小湾等电站整r.A,CBapHoePa6o从eroKo几eacoe八HHeHP叭Ha一几BoTyTyP6HHHHeKoToPHenPoHaB叭e阳aTexHo几or\"益P6H益.MA坦rM3.196073a6eJIH益B.H.oeo6e朋oemMo盯眯a即ynM毗TM月PoTy6洲3HeProM田叮HHoe冲oeH体转轮的制造,成效卓著,经受了焊后消应处理,使转残余应力显著减小\"以中7.9m!重260t的龙滩电站700MW机组13一4不锈钢转轮为例,退火后-1!恤,e,1986(6)与-3机转轮最大残余应力平均值分别为182MPa!173MPa及192MPa,仅为母材的1/3\",,下降幅度已超过国际文选记载的1/2\".,达到世界领先水平\"由此,今后国内在制造巨型水轮机组转8郑本英.分瓣转轮工地组焊技术的发展.东方电机,1992(3)9BPoHo-K叼益.I..A.TexHo以只r朋PoTyP6oe印oeH朋,197810ZhangBenying.Manufaetuerlieturbines.MeehhaealDesignof场dru-aandMaunf轮时,便具备了相当优势,在经过技术经济等比较后,从分瓣或整体转轮上决定取舍\"参考文献ZhengBenying,EleetorslagW七ldingofae彻如9ofHydraulleMaChnerj.IyECBSI卫叭n大电机!水轮机的制造技术一机部八院主编一机部科技情报所,198121孙鸿秉,王怀茂.龙滩水电站水轮机转轮残余应力的测试及评价.水力发电,2007()4
