張杰英

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大型圓盤(pán)式轉(zhuǎn)子支架工地裝焊焊接變形分析及控制

張杰英

（呼倫貝爾職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼倫貝爾 021000）

本文介紹了一種大型圓盤(pán)式轉(zhuǎn)子支架的工地裝焊工藝及變形分析和控制。該轉(zhuǎn)子支架為直支臂圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)，工地焊縫包括中心體和支臂間的縱縫、支臂之間的平縫以及中心體和支臂間的環(huán)縫，總長(zhǎng)度約79524mm，工地裝焊難度大，焊接變形控制較難。本文通過(guò)對(duì)不同工序后各主要尺寸變化進(jìn)行分析，確定了不同焊縫焊接對(duì)各尺寸的影響，隨后制定了合理的工藝規(guī)范，及時(shí)調(diào)整焊接順序，達(dá)到控制焊接變形和滿足尺寸要求的目的。

轉(zhuǎn)子支架；工地裝焊；變形控制；焊接順序

0 前言

轉(zhuǎn)子支架是水輪發(fā)電機(jī)組中最重要的轉(zhuǎn)動(dòng)承載部件之一，是連接主軸和磁軛的中間部件，起到固定磁軛和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用。圓盤(pán)式轉(zhuǎn)子支架具有整體性好、剛性好、能加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)[1]，但其整體尺寸較大，工地裝焊難度較大，焊接變形控制困難。本文以某電站2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子支架工地焊接為例對(duì)其焊接工藝和變形控制進(jìn)行闡述和分析。

1 結(jié)構(gòu)介紹及特點(diǎn)

該電站轉(zhuǎn)子支架最大外徑為Φ10980mm，最高高度為1970mm，材質(zhì)為Q345B，總重量約為112T，其三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。轉(zhuǎn)子支架由1個(gè)轉(zhuǎn)子中心體和7個(gè)轉(zhuǎn)子支臂組成，每個(gè)支臂帶有2個(gè)主立筋，它們分別在廠內(nèi)單獨(dú)裝焊，生產(chǎn)結(jié)束后進(jìn)行預(yù)裝，而后在工地組焊成整體。

轉(zhuǎn)子支架工地焊縫共包括：2條轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支臂連接的環(huán)縫，單條焊縫周長(zhǎng)為10676mm；14條轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支臂連接的縱縫，單條焊縫長(zhǎng)度為1570mm；14條轉(zhuǎn)子支臂之間的徑向平縫，單條焊縫長(zhǎng)度為1060mm，各焊縫坡口型式如圖2所示。其中支臂之間的徑向平縫為“K”型坡口，中心體與支臂之間的環(huán)縫和縱縫均為單“V”坡口，焊縫厚度均為30mm，所有的焊縫要求清根焊透，焊后進(jìn)行UT和MT檢查。

影響轉(zhuǎn)子支架焊接變形的兩個(gè)因素為結(jié)構(gòu)形式和焊接工藝，但在現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中，只能選用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚳刂坪附幼冃蝃2]。焊接工藝規(guī)范對(duì)焊接過(guò)程和變形控制有很大影響，包括焊接電壓、焊接電流、焊條規(guī)格、焊接順序以及拉筋使用等，因此只有在現(xiàn)有條件下充分優(yōu)化焊接工藝并有效執(zhí)行，才能充分保證焊接尺寸和產(chǎn)品質(zhì)量。

1-轉(zhuǎn)子中心體 2-轉(zhuǎn)子支臂（外環(huán)組件）3-主立筋 4-工地環(huán)縫 5-工地平縫 6-工地縱縫

1-中心體與支臂間的環(huán)縫 2-支臂之間的平縫 3-中心體與支臂間的縱縫

2 轉(zhuǎn)子支架工地裝配

轉(zhuǎn)子支架裝配前，需確認(rèn)好中心體和各支臂上的廠內(nèi)標(biāo)記，隨后按其裝配，裝配流程示意圖如圖3所示：

圖3 轉(zhuǎn)子支架裝配流程示意圖

裝配前，應(yīng)保證裝焊場(chǎng)地應(yīng)無(wú)雜物影響裝配、焊接和測(cè)量等工序，并劃出轉(zhuǎn)子支架坐標(biāo)基準(zhǔn)線、輪廓線和各分瓣面線，隨后在平臺(tái)上放置足夠數(shù)量的支墩。對(duì)轉(zhuǎn)子支架的工地焊接坡口進(jìn)行清理，清理范圍為坡口面及距離坡口邊緣至少20mm 范圍內(nèi)的表面，保證該區(qū)域內(nèi)無(wú)氧化物、油污、熔渣等雜物并打磨出金屬光澤。

（1）將中心體吊放至支墩上，調(diào)節(jié)上圓盤(pán)加工面平面度不大于0.03mm/m，調(diào)整合格后用搭板點(diǎn)焊固定，隨后安裝中心柱。

（2）根據(jù)廠內(nèi)標(biāo)記吊裝+Y方向主立筋（13號(hào)）所在的轉(zhuǎn)子支臂（帶有12號(hào)和13號(hào)主立筋），尺寸調(diào)整合格后點(diǎn)焊固定，隨后沿俯視順時(shí)針?lè)较蛞来窝b配其他轉(zhuǎn)子支臂。

（3）按照常廠內(nèi)標(biāo)記依次吊裝各支臂，每吊裝一個(gè)支臂后全面檢查各尺寸，隨后把合合縫塊?？赏ㄟ^(guò)加墊片的方式放大半徑和弦距，即將焊接收縮量定為3mm~4mm左右。

（4）全部安裝結(jié)束后，檢查直徑、弦距、主立筋垂直度、主立筋掛鉤高程以及錯(cuò)牙等主要技術(shù)參數(shù)，若不符合圖紙及相關(guān)技術(shù)要求，則松開(kāi)把合塊或割開(kāi)支撐拉筋而后進(jìn)行調(diào)整，直至尺寸合格為止。

為有效控制焊接變形、充分保證焊接質(zhì)量，焊接前在徑向平縫背側(cè)裝焊3塊“U”型工藝?yán)睿诳v向立縫一側(cè)裝焊2塊工藝?yán)?，焊?2mm，實(shí)地焊接圖如圖4所示。

圖4 “U”型工藝?yán)顚?shí)體圖

3 轉(zhuǎn)子支架工地焊接

（1）工地采用手工電弧焊的方法進(jìn)行焊接，焊接材料為AWS標(biāo)準(zhǔn)E7015，規(guī)格為Φ4.0mm和Φ3.2mm兩種，預(yù)熱溫度不低于80℃，層間溫度不高于260℃，工地采用火焰進(jìn)行加熱，使用紅外線測(cè)溫儀控制溫度；使用Φ3.2mm規(guī)格焊條進(jìn)行打底，使用Φ4.0mm規(guī)格焊條進(jìn)行其他焊道的焊接。

（2）為減小半徑焊接收縮量，有效控制變形，對(duì)于焊縫間隙大于3mm的焊縫，要進(jìn)行堆焊、打磨，PT探傷合格后再進(jìn)行后續(xù)焊接。

（3）定位焊的焊接順序和工藝規(guī)范與正式焊接相同，原則上每道合縫處至少有3處定位焊。定位焊焊縫長(zhǎng)度為60mm~80mm，焊縫厚度為6mm~8mm，間距400mm~600mm。

（5）焊接過(guò)程中由4名焊工同時(shí)同向同速同規(guī)范鑲邊多層多道焊接，盡量采用小規(guī)范輸入，及時(shí)測(cè)量各主要尺寸參數(shù)并據(jù)其及時(shí)調(diào)整焊接順序，除打底層和蓋面層外，要對(duì)所有的焊縫進(jìn)行錘擊至表面屈服以消除殘余應(yīng)力。

4 轉(zhuǎn)子支架焊縫質(zhì)量控制

根據(jù)圖紙要求，轉(zhuǎn)子支架焊后各主要尺寸及公差要求如表1所示，轉(zhuǎn)子支架在焊接過(guò)程中主要尺寸變化如圖5所示。

表1 轉(zhuǎn)子支架焊后各主要尺寸及公差要求

從圖5（a）和圖5（b）中我們可以看出，在焊接過(guò)程中由于受到焊接收縮變形的影響，主立筋到中心的距離和主立筋弦距兩個(gè)主要尺寸逐步縮小，而且變化比較規(guī)律。其中工序1定位焊前和工序2定位焊后的尺寸變化最大，主立筋到中心距離尺寸變化均值為1.944mm，變化最大值為9號(hào)主立筋的2.53mm；主立筋弦距尺寸變化均值為1.453mm，最大值為5號(hào)-6號(hào)主立筋弦距和9號(hào)-10號(hào)主立筋弦距，減小量均為1.90mm。在正式焊接中徑向平縫焊接對(duì)上述兩項(xiàng)尺寸影響最大，因?yàn)橹芟虺叽绲臏p小會(huì)導(dǎo)致上述兩項(xiàng)尺寸的變化。

（a） 主立筋到中心距離的尺寸公差變化曲線

（b） 主立筋弦距的尺寸公差變化曲線

（c） 主立筋垂直度變化曲線

（d） 主立筋掛鉤高程變化曲線

工序1-定位焊前，工序2-定位焊后，工序3-縱縫清根后，工序4-縱縫焊后工序5-平縫焊2/3后，工序6-平縫焊后，工序7-環(huán)縫焊2/3后，工序8-結(jié)束

圖5 轉(zhuǎn)子之間焊接過(guò)程中主要尺寸變化曲線

（a） 正常 （b） 負(fù)值 （c） 正值

圖5（d）所示的主立筋掛鉤高程是以某固定高程為基準(zhǔn)測(cè)量的絕對(duì)值，每個(gè)工序?qū)?yīng)的曲線最大值和最小值之差即為該工序掛鉤高程差的最大值，曲線局部斜率越大，相鄰掛鉤高程相差越大。在整個(gè)焊接過(guò)程中，縱縫焊接對(duì)掛鉤高程差影響最大，工序3縱縫清根焊接后，4號(hào)和12號(hào)掛鉤高程差最大為2.7mm，與此同時(shí)工序2定位焊后的掛鉤高程差最大為2mm，工序4縱縫焊接結(jié)束后最大高程差為2.1mm，工序5平縫2/3焊后最大高程差為1.8mm，工序7環(huán)縫2/3焊后最大高程差為1.9mm，由此可見(jiàn)各焊縫的焊接對(duì)掛鉤高程都有影響，這是因?yàn)橹灰泻附邮湛s就會(huì)直接或間接地影響掛鉤高程。

經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的調(diào)整和控制，焊接結(jié)束后全體尺寸均滿足圖紙和相關(guān)文件要求，各主要尺寸最大公差如表2所示，2號(hào)轉(zhuǎn)子支架焊后實(shí)物圖如圖7所示。

表2 轉(zhuǎn)子支架焊后各主要尺寸范圍

圖7 2號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子支架焊后實(shí)物圖

5 結(jié)論

綜合上述經(jīng)驗(yàn)可以確定，在大型圓盤(pán)式轉(zhuǎn)子支架工地組焊過(guò)程中，通過(guò)合理制定工藝規(guī)范、及時(shí)調(diào)整焊接順序的方法可以控制焊接變形，保證產(chǎn)品質(zhì)量。對(duì)直徑Φ10980mm的轉(zhuǎn)子支架，其主立筋到中心距離的收縮量為約為5mm~6mm，弦距的收縮量約為4mm~5mm。其中定位焊對(duì)整體焊接收縮的影響最大，主立筋到中心的焊接收縮量最大為2.53mm，弦距的焊接收縮量最大為1.90mm；縱縫焊接對(duì)主立筋垂直度的影響最大，可以在正常值、負(fù)值和正值的情況下合理調(diào)整焊接順序來(lái)調(diào)整焊接變形；所有的焊接工序?qū)D(zhuǎn)子支架掛鉤高程均有影響。

[1] 劉大為, 喬宏來(lái), 王文彪. 水輪發(fā)電機(jī)圓盤(pán)式轉(zhuǎn)子支架工地焊接工藝[J]. 應(yīng)用能源技術(shù), 2007(08):44-46.

[2] 呂玉忠, 程仕偉. 淺談轉(zhuǎn)子支架焊接變形監(jiān)控及主立筋垂直度控制[J]. 四川水力發(fā)電, 2012(10):15-18.

The Analysis and Control of Welding Deformation for Large Disk Type Rotor Spider in Site Assembly and Welding

ZHANG Jieying

(Hulunbeier Vocational Technical College, Hulunbeier 021000, China)

This article introduces the welding procedure, analysis and control of welding deformation for large disk type rotor spider in site assembly and welding. The structure of this rotor spider is straight arm disk type. The site welding seams include circular welds between center body and arms, the longitudinal welds between center body and arms, the horizontal welds among the arms, the length of which is almost 79524mm. It is difficult to perform site assembly and welding and to control the welding deformation in site. With the analysis on the main dimensions after different processes, this article confirms that different welds have different effects on the main dimensions. Then proper technical procedure and adjustment of welding sequences have been performed, which makes control of welding deformation and satisfaction of dimensional requirements fulfilled.

hydro-generator; rotor spider; site assembly and welding; welding deformation.

TM303.3

A

1000-3983(2014)04-0051-04

2013-08-27

張杰英(1965-)，1987年7月畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，現(xiàn)任教師職務(wù)，副教授。

審稿人：王 波