劉大松

（中核第四研究設(shè)計(jì)工程有限公司，河北 石家莊 050000）

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

汽輪機(jī)所有轉(zhuǎn)動(dòng)部件的組合稱為轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)設(shè)備中的關(guān)鍵部件，其處在高溫工質(zhì)中，并高速旋轉(zhuǎn)，因此它承受著葉片、葉輪和主軸本身質(zhì)量離心力所引起的巨大應(yīng)力以及由于溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力，所以轉(zhuǎn)子需要有很高的強(qiáng)度和均勻的質(zhì)量，以保證汽輪機(jī)安全可靠的正常運(yùn)行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子按主軸與其他部件間的組合方式，轉(zhuǎn)子可分為整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子、焊接轉(zhuǎn)子和組合轉(zhuǎn)子4大類。一臺(tái)汽輪機(jī)機(jī)組采用何種類型轉(zhuǎn)子，由轉(zhuǎn)子所處的運(yùn)行溫度條件及鍛冶技術(shù)來確定。

目前大型核電氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子有3種結(jié)構(gòu)形式，即整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子。整鍛轉(zhuǎn)子鍛件尺寸大，要求有大型鍛件的生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)，工藝及質(zhì)量檢驗(yàn)比較復(fù)雜，材料損耗大，零件損壞時(shí)更換困難。套裝轉(zhuǎn)子在長(zhǎng)時(shí)間的高溫條件下運(yùn)行，可能使葉輪和主軸套裝處產(chǎn)生松動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)中存在較大的殘余應(yīng)力，在濕蒸汽環(huán)境下容易誘發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖1 低壓焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

而焊接轉(zhuǎn)子具有分段鍛造鍛件質(zhì)量容易保證、尺寸小、加工方便；有空腔結(jié)構(gòu)，相對(duì)重量輕、剛度大；應(yīng)力只分布在兩個(gè)面上，不存在孔或缺口引起的應(yīng)力集中，顯著地降低了脆斷的危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適應(yīng)核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子直徑大、重量大的要求。缺點(diǎn)則是要求材料有良好的焊接性，焊接接頭存在性能薄弱區(qū)，對(duì)焊接工藝、檢驗(yàn)技術(shù)要求較高。

由于鍛件尺寸的限制，大功率核電汽輪機(jī)廣泛采用焊接轉(zhuǎn)子，本項(xiàng)目1000MW核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子即為焊接轉(zhuǎn)子，其材質(zhì)為國(guó)外進(jìn)口的20Cr2NiMo鍛件，在制造廠內(nèi)進(jìn)行機(jī)加工、裝配和焊接等工作。低壓焊接轉(zhuǎn)子主要由焊接成型的不帶葉片的轉(zhuǎn)子和葉片組成。不帶葉片的轉(zhuǎn)子由2個(gè)軸端和8個(gè)輪盤鍛件組裝焊接形成。整個(gè)核電低壓焊接轉(zhuǎn)子加工成型后，不帶葉片重量約為156t，加葉片重量約為180t，直徑最大處為5.6m，總長(zhǎng)度約為12m，如圖1。

2 焊接技術(shù)分析

對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大型焊接轉(zhuǎn)子，為保證轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行，轉(zhuǎn)子接頭的焊接質(zhì)量非常重要，轉(zhuǎn)子材料和焊接方法的選用，對(duì)焊接質(zhì)量起著決定性的作用。

2.1 轉(zhuǎn)子材料分析

轉(zhuǎn)子的軸端和輪盤均為20Cr2NiMo鍛件，焊接前均經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，材料具有較好的力學(xué)性能和良好的抗應(yīng)力腐蝕性能。但對(duì)于其焊接接頭，由于整個(gè)焊接過程中非均勻熱循環(huán)的作用，各區(qū)域內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的組織梯度和力學(xué)性能不均勻性，可能在焊接區(qū)域產(chǎn)生缺陷或者形成粗大組織，使焊接接頭的力學(xué)性能下降，容易形成和誘發(fā)裂紋局部脆化。因此焊接區(qū)域往往成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的最薄弱區(qū)域，有必要對(duì)其焊接過程加強(qiáng)質(zhì)量控制。

2.2 焊接方法分析

整個(gè)焊接轉(zhuǎn)子共有9條環(huán)形焊縫，坡口采用U型型式，焊接方法采用窄間隙自動(dòng)氬弧焊（TIG）和窄間隙自動(dòng)埋弧焊（SAW）焊接。與普通的焊接方法相比，窄間隙方法坡口窄小，兩坡口面接近于平行，減小了焊接金屬的填充量。同時(shí)窄間隙焊接技術(shù)可以有效提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減小焊接變形和工作強(qiáng)度，尤其是適用于轉(zhuǎn)子這樣的大壁厚工件的焊接。窄間隙自動(dòng)氬弧焊接過程穩(wěn)定可靠、接頭質(zhì)量好，用于轉(zhuǎn)子根部焊道的焊接，可獲得優(yōu)良的焊縫反面成形和根部接頭質(zhì)量。除根部焊道外，其余采用熔敷效率更高的窄間隙自動(dòng)埋弧焊。

圖2

3 焊接過程質(zhì)量控制

圖3

低壓轉(zhuǎn)子9條環(huán)焊縫的焊接只能采用單面施焊，且焊縫金屬厚度均在100mm以上，一旦出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題后返修非常困難。所以對(duì)焊接全過程，包括焊前裝配、焊接過程和焊后無損檢測(cè)都需要嚴(yán)格的控制。

3.1 焊接前控制

焊前準(zhǔn)備工作是焊接質(zhì)量的重要保證。在正式焊接前，需從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面逐一檢查，尤其是對(duì)焊接人員的技術(shù)水平，通過大量的試件的焊接來積累經(jīng)驗(yàn)、提高水平。

焊前的裝配質(zhì)量直接影響著后續(xù)的焊接質(zhì)量。為了控制裝配質(zhì)量，裝配前每個(gè)輪盤的焊接坡口尺寸、表面質(zhì)量和內(nèi)部清潔度都需按程序文件的要求進(jìn)行嚴(yán)格檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行處理，如圖2。

對(duì)輪盤裝配過程進(jìn)行嚴(yán)格控制。輪盤之間的配合為過盈配合，需要進(jìn)行紅套裝配。在裝配前必須做紅套試驗(yàn)來確定膨脹量。如果溫度、膨脹量不滿足要求，可能會(huì)影響轉(zhuǎn)子的裝配精度和后續(xù)焊接質(zhì)量。

3.2 焊接過程控制

轉(zhuǎn)子整個(gè)焊接過程分為窄間隙自動(dòng)氬弧焊（TIG）和窄間隙自動(dòng)埋弧焊（SAW）。窄間隙自動(dòng)氬弧焊是轉(zhuǎn)子各鍛件從下至上依次疊放在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過水平轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子各鍛件旋轉(zhuǎn)，由氬弧焊焊槍對(duì)相鄰兩個(gè)轉(zhuǎn)子鍛件之間的焊縫進(jìn)行橫焊焊接。為了控制焊接變形采取對(duì)稱焊接方式進(jìn)行焊接，焊接采取四臺(tái)焊機(jī)在90°方位進(jìn)行對(duì)稱焊接。如果一臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)了問題，對(duì)面的焊接設(shè)備也要停止焊接，確保焊接過程始終是對(duì)稱焊接，如圖3。氬弧焊后經(jīng)無損檢測(cè)和焊縫金屬厚度檢查合格后，將焊接的整體轉(zhuǎn)子進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子兩端支撐在滾輪支架上，由窄間隙自動(dòng)埋弧焊對(duì)轉(zhuǎn)子相鄰兩個(gè)鍛件之間的焊縫進(jìn)行水平焊接。

為了做好焊接過程質(zhì)量控制，在每次焊接前都對(duì)焊接準(zhǔn)備情況進(jìn)行檢查，相關(guān)人員必須到場(chǎng)，焊接檢測(cè)工器具必須準(zhǔn)備到位。按照焊接工藝規(guī)程(WPS)要求檢測(cè)預(yù)熱溫度、層間溫度，只有預(yù)熱溫度、層間溫度符合規(guī)范要求后才允許進(jìn)行施焊。在焊接過程中加強(qiáng)巡查檢查，隨時(shí)檢查焊接過程中的焊接電流、電弧電壓、焊接速度、保護(hù)氣體流量等焊接參數(shù)，及時(shí)把握焊接操作人員執(zhí)行焊接工藝的情況，并審查焊接人員的焊接記錄和焊接檢驗(yàn)人員的檢查記錄填寫情況，確保焊接過程有效受控。

3.3 無損檢測(cè)質(zhì)量控制

無損檢測(cè)是焊接質(zhì)量控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是評(píng)判焊接質(zhì)量好壞的重要方法。為了更好地控制焊接質(zhì)量，在轉(zhuǎn)子整個(gè)焊接過程中分焊前、焊中、焊后3個(gè)階段進(jìn)行無損檢測(cè)，包括液體滲透檢測(cè)（PT）、磁粉檢測(cè)（MT）、超聲檢測(cè)（UT）各1次和射線檢測(cè)（RT）2次。

圖4

裝配前對(duì)每個(gè)輪盤焊接坡口進(jìn)行目視檢查和PT檢測(cè)，確保坡口表面沒有影響焊接的缺陷。TIG打底焊（厚度約5mm）過程中對(duì)焊縫表面進(jìn)行目視檢查，焊后用內(nèi)窺鏡觀察焊縫背面情況，合格后采取雙壁單影方式對(duì)焊縫進(jìn)RT檢測(cè)。RT檢測(cè)合格后進(jìn)行自動(dòng)氬弧焊填充焊，目視檢查和焊縫金屬厚度(厚度約12mm)檢查合格進(jìn)行中心透照方式RT檢測(cè)，檢測(cè)合格后，對(duì)工藝孔（內(nèi)窺鏡、放射源Ir—192的通道）進(jìn)行塞焊。上述過程完成后，進(jìn)行自動(dòng)埋弧焊焊接，焊接完成后對(duì)焊縫表面機(jī)加工，進(jìn)行最后的MT、UT檢測(cè)，如圖4。

對(duì)焊縫的無損檢測(cè)范圍、檢測(cè)過程和結(jié)果評(píng)定，制定了專門的作業(yè)文件，并在檢測(cè)過程中進(jìn)行嚴(yán)格控制和監(jiān)督，確保無損檢測(cè)滿足文件要求。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子作為核電常規(guī)島的關(guān)鍵零部件，其焊接技術(shù)是大型核電焊接轉(zhuǎn)子制造的難點(diǎn)。其焊接質(zhì)量控制需要相關(guān)人員熟悉相關(guān)技術(shù)和制造過程，把握焊接過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，并采取事前控制、事中控制和事后控制相結(jié)合的方法，確保整體焊接質(zhì)量。