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                125MW機組汽輪機低壓缸焊接變形及處理                          
             
            1 概述
            酒鋼熱電廠技改工程1號汽輪機組是東方汽輪機廠生產的超高壓、一次中間再熱、單軸、雙排汽、抽凝式汽輪機,型號為125/114-13.2/0.245/535/535,該機組為東方汽輪機廠生產的同類型機組第一臺機組,也是國內該種結構形式的第一臺機組。
            酒鋼宏晟1號汽輪機本體安裝從2002年3月18日開始,低壓缸為現場組裝。東汽廠生產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行密封焊接,根據東汽廠圖紙標識該密封焊為滿焊,焊條選用E4303,規格為φ3.2mm。焊接坡口形式為“V”型,坡口寬度為50mm,深度為30mm,對接坡口錯邊量達10~15mm,錯邊量占整條焊縫的1/4。低壓缸結構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,其垂直結構合面與水平結合面法蘭寬度均為220mm,厚度60mm,其外形結構如圖1.

            另外,除對低壓缸散件現場組焊外,圖紙要求將低壓缸內部連接板以及撐管也在現場進行組焊,其中撐管只在汽缸下部分分布,為左右對稱,其作用為加強汽缸前、中、后剛性連接強度,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汽缸上部的剛性強度。詳情見圖2。

            結合面焊接、筋板焊接、撐管焊接焊縫具體如圖3所示。

            2 低壓缸現場組焊產生變形的情況
            安裝單位根據東汽廠圖紙要求,編寫密封焊技術措施。經專業技術員審批同意后,焊接人員嚴格按焊接技術措施進行焊接,東汽廠駐工地代表在現場全過程監督,當焊接完畢后,為防止焊接變形,對焊縫進行對稱錘擊消除應力,待汽缸冷卻至室溫后,松開汽缸中分面螺栓,發現汽缸嚴重變形,在自由狀態下,汽缸中分面間隙達到1.6mm(標準為不大于0.25mm),臺板與汽缸底部支撐面間隙最大達到0.25mm(焊接前測量時0.03mm塞尺寸不入),前后汽封洼窩處最大錯口量達2mm(焊接前前后汽封無錯口)。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密封焊變形應力分析
            由于低壓缸中分面兩道密封焊,焊接填充量過大,根據密封焊接時的受力分析,缸的密封焊對汽缸變形的影響如圖5所示。

            圖5為上汽缸在密封焊接時的受力分析,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:分別為密封焊接時汽缸后中與前中之間的作用力(焊接時融化的金屬冷卻收縮形成拉應力),其力使汽缸后與前中構成互相拉緊的作用:F5和F6為一相對作用,由汽缸中分面螺栓緊固而產生,F1與F5、F4與F6分別為一對作用力與反作用力,其作用使汽缸在密封焊接時各部們受力不均故而存在較大的內應力:而F7、F8與F9、F10同樣由于緊固和熱應力,使汽缸在自由狀態下缸體兩翼上翹,結合面出現間隙。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,且傾斜向上向調端與電端。在汽缸組合后,為了加強上缸的剛性,必須將前、中、后中筋用中間連接板進行連接。筋板焊接如圖7所示。連接焊接時的受力如圖7所示。

            由以上的受力分析可知,在連接板焊接時,前后汽缸要沿軸向對角線向內縮進,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所引起的汽缸軸向位移的變化。綜合上述應力分析,加之各點應力大小不均,故汽缸在自由狀態下成不規則變形與位移。
            4 汽缸變形修復焊接時所采取的措施
            根據以上對缸體產生變形的主要原因分析,修復過程中為了校正焊接時產生的汽缸變形,而采取了以下措施:
            4.1汽缸焊接方案總則
            4.1.1 焊前嚴格清理待焊區域的水分、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),較快焊接速度進行操作。
            4.1.3 層間溫度要求控制在60℃以下。
            4.1.4 施焊過程中密切監視百分表變化情況,當其變化值超過0.01mm時應停止施焊,待焊縫冷卻后,百分表基本回歸后方可繼續焊接,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值向減小變形為原則。
            4.1.6所有焊縫要求采用對稱、分段退焊法進行焊接。
            4.2 下缸密封焊接方案

            4.2.1下缸密封焊時,是在下缸與上缸汽缸組合好后,在汽機基礎上進行,為了能有效地控制由于焊接時的變形,所以下缸進行密封焊接時,將上缸揭去。
            4.2.2 在低壓缸進行焊接時,將汽缸與臺板的聯接螺栓以及臺板的地角螺栓進行緊固,同時將汽缸找平找正。
            4.2.3 汽缸焊接監控時的架表如圖8所示。

            4.2.4 在焊接時,A、B、C、D四個點同時進行對稱焊接,焊接的具體要求參見焊接方案總則的有關規定。
            4.3 下缸撐管焊接方案
            4.3.1 在下缸密封焊接完成后,可進行其撐管的焊接,在焊接時,架表的方式與其密封焊接時的形同。
            4.3.2 焊接時的順序A、B、C、D四個點應同時進行,具體如圖9所示。

            4.3.3 焊接的要求參見焊接方案總則的具體要求。
            4.4.  上缸密封焊與聯接板焊接的方案
            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不進行安裝,但是定位銷在自由狀態下能夠安裝上,然后可進行密封焊與連接板焊接工作。
            4.4.2 在焊接之前,首先架表測量好焊接之前的各種原始數據,并作好記錄,以備焊前與焊后的熱變形原因分析。
            4.4.3 根據上汽缸的密封焊與連接板焊接時汽缸熱變形的分析,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引起的熱變形要比密封焊接時引起的熱變形大,因此在要控制重點,密封焊與連接板的焊接要交叉進行,使得焊接的熱變形降低到最低的程度。
            4.4.4 在焊接時,要嚴格按照焊接總則的要求來執行。
            4.4.5 在焊接連接板時,應將四塊連接板一邊首先分別與其加強板的另一邊進行焊接,在進行另一邊焊接時要與密封焊接配合進行。
            4.4.6 密封焊與連接板的焊接要對稱進行,但是在具體焊接過程中,先焊什么,后焊什么要根據具體的熱變形來分別對待。
            4.4.7 密封焊接的順序如圖10所示。

            4.4.8 因為有兩道焊縫,在焊接時每條焊縫應有兩個焊工,所以應有4個焊工同時進行對稱焊接。
            4.4.9 焊接時的架表方式除以上的架表方式外,還應增加4塊表進行監控汽缸垂直向上變化的趨勢,具體如圖11所示:

            4.4.10 另外,因為汽缸垂直結合面要進行密封焊,所以所要焊接的部位的法蘭結合面不再涂抹密封材料,以免由于在焊接時高溫的狀態下使密封材料汽化,而使密封焊縫產生裂紋。
            5低壓缸中分面處理經過
            首先選用碳弧氣刨分段割除原焊縫,當焊縫刨至剩余3~4mm左右時,聽到一聲巨響,整條焊縫裂開,證明焊縫的焊接應力較大,待焊縫冷卻至室溫測量中分面間隙,沒有恢復到焊前水平,低壓缸汽封依然有1.5mm的總錯位量。經分析認為,低壓缸內部連接板和支撐管還在起作用需全部割除。經過割除所有連接板和支撐管后,并重新進行了焊接,焊接時,上缸體通過支撐或拉伸的辦法使缸體變形部位有一個反變形量,在變形中分面處布置至少12只千分表如圖8焊接時,觀察千分表的變化,同時每次施焊量較少,邊焊接邊冷卻,觀察缸體變形,從而控制千接變形量,使汽封錯位是不是減小到0.19mm,符合技術設計要求。
            6控制汽缸焊接熱變形修復處理最終效果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汽缸的安裝質量基本不產生影響,所以完全達到預期的目的。
            根據上述經驗,在2機低壓缸現場組合施焊中,嚴格按照上述經驗,使2機低壓缸一次施焊完全達到優良標準。
            1機組在2004年5月份進行安裝運行后首次解體檢查,低壓汽缸沒有變化,證明安裝中的變形處理是合理有效的。
            7結論
            雖然金屬大件進行焊接時產生的熱變形很大,但是只要認真地分析好引起變形的主次原因,采取確實有效可行的焊接施工措施,在施工過程中,就完全能夠控制焊接時的熱變形。
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