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汽轮机焊接隔板焊缝结构及焊接质量的改进

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：胡宝成

[导读] 摘要：隔板是汽轮机中技术含量和要求高、批量大、制作工艺复杂的重要部件之一，它在汽轮机生产中占有很大的比重。

        （哈电集团哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨 150046）
        摘要：隔板是汽轮机中技术含量和要求高、批量大、制作工艺复杂的重要部件之一，它在汽轮机生产中占有很大的比重。现代汽轮机隔板大都采用焊接方式把叶片与内、外环连接在一起成为一个整体，从而达到消除振动和减少蒸汽泄漏的目的。由于隔板制造精度对汽轮机效率的影响很大，且直接影响着汽轮机的生产周期和产品质量。因此，国内外各大汽轮机制造厂都对隔板的焊接十分重视，投入了很大的物力、精力对其结构及焊接方式进行改进，以期提高隔板的焊接质量，同时降低制造成本。基于此，本文主要对汽轮机焊接隔板焊缝结构及焊接质量的改进进行分析探讨。
        关键词：汽轮机；焊接隔板；焊缝结构；焊接质量；改进
        前言
        隔板是汽轮机最重要部套之一，近年来国内外汽轮机隔板均采用焊接隔板，而焊接隔板的焊接质量直接影响隔板强度和刚度，即直接影响汽轮机运行的安全性。多年来国产汽轮机焊接隔板由于焊接结构不合理及焊接质量存在一些问题，使得机组在运行中多次发生因隔板变形大而造成动静碰摩事故，给电厂和制造厂造成重大经济损失。国内外汽轮机制造厂都以隔板焊接技术作为突破口进行技术改造，体现在焊接方法由手工焊条电弧焊焊、埋弧焊、气体保护自动焊直到真空电子束焊的改变，使焊接方法逐步先进，产品质量稳步提高，劳动条件得到改善，成本大幅度降低，生产效率显著提高。目前以激光切割围带代替冲孔、机械手焊接叶栅、电子束焊接隔板主焊缝为最先进的隔板焊接制造工艺。
        1、焊接隔板焊缝结构及焊接方法存在的问题
        国产汽轮机隔板焊缝是引用原苏联50年代汽轮机焊接隔板结构形式，如图1（a）。导叶两头插入内外围带固定，导叶头部比围带外圆低1mm~1.5mm，导叶两头进出汽边围带与隔板内外环体有4条焊缝，焊缝深度约为导叶宽度1/4左右。从70年代起，国产汽轮机焊接隔板一直采用二氧化碳气体保护焊，用半自动焊机焊接，但是隔板焊缝质量一直不好。归纳起来，产生焊缝质量差的原因有两个，一是由于工人对二氧化碳气体保护及半自动焊机操作不熟练，对焊丝直径、焊接速度、焊接电流大小掌握不好等；二是焊接隔板的焊缝结构不合理，导叶两头比固定导叶的两头内外围带外圆低1mm~1.5mm，当二氧化碳气体保护半自动焊焊接电流、焊接速度掌握不好或焊丝离导叶头部较远时，就会产生导叶两头严重未熔合现象，实际上就是导叶两头与内外隔板体未焊牢，在机组运行时隔板在高温及前后压差作用下，会产生永久变形，而且变形速度随时间增加而加快。国产200MW汽轮机13~15级隔板运行3~5年，永久变形量一般在1.5mm左右，有的机组永久变形量达3mm~4mm，因而发生动静碰摩。将多块永久变形大的200MW汽轮机13~15级隔板的焊缝切开看，发现导叶两头焊缝未熔合现象较严重。

        图1 隔板焊接形式对比图
        2、焊接技术在焊接隔板中的应用
        2.1围带式隔板
        围带式隔板由隔板体、叶栅、隔板外环和径向汽封体组成，其中叶栅是由内、外围带和导叶片焊接组成。
        1）叶栅的装配与焊接。围带叶栅的焊接方式主要采用手工焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、热丝TIG自动焊等方法。但现代大功率汽轮机围带叶栅的焊接仍在使用的方法有手工钨极氩弧焊、热丝TIG焊，手工焊条电弧焊方式已经逐渐被淘汰。
        2）隔板主焊缝的焊接。围带式隔板其主焊缝的焊接方法主要采用埋弧焊、CO2气体保护焊、窄间隙MAG焊、手工焊条电弧焊、真空电子束焊等；但现代大功率汽轮机围带式隔板主焊缝的焊接仍然在使用的方法有埋弧焊、CO2气体保护焊、窄间隙MAG焊、真空电子束焊，其它焊接方式已经被淘汰。
        随着汽轮机主蒸汽参数的不断提高，为了满足汽轮机运行温度及压力的要求，汽轮机隔板的壁厚设计越来越厚，主焊缝坡口深度已经超过60mm，若使用传统的CO2气体保护焊接方法进行深坡口隔板的焊接，由于坡口面积的急剧增大导致了焊接工作量的成倍增加，为此，在深坡口隔板主焊缝的焊接过程中逐渐采用窄间隙MAG焊方式。
        2.2自带冠式隔板
        自带冠式隔板与围带式隔板结构基本类似，不同之处是导叶自带冠代替围带部分组成叶栅。自带冠式叶栅的焊接方法主要采用有手工焊条电弧焊、CO2气体保护焊、热丝TIG自动焊等方式，但现代大功率汽轮机自带冠叶栅的焊接仍在使用的方法有CO2气体保护焊、热丝TIG焊，手工焊条电弧焊方式已经被淘汰。自带冠式隔板其主焊缝的焊接方法与围带式隔板完全相同。
        2.3环式隔板
        环式隔板是导叶片直接焊接在内、外环上，多用在汽轮机的低压末级、次末级位置上。环式隔板主焊缝的焊接主要采用手工焊条电弧焊、手工钨极氩弧焊、CO2气体保护焊（药芯焊丝）三种焊接方式；但现代大功率汽轮机环式隔板的焊接方式主要使用手工钨极氩弧焊，其它焊接方式已经逐渐被淘汰。
        2.4自带围带式隔板
        隔板设计时没有内、外环部件，导叶片自带围带及内、外环成圈组成隔板的结构。制造时按照叶片顺序号依次装配全部导叶片并进行整圈焊接的隔板，多用于300MW以上反动式机组结构上。
        自带围带式隔板主要采用MIG焊及真空电子束焊两种焊接方式；随着真空电子束焊接技术的大规模应用，在汽轮机焊接制造过程中逐渐推广真空电子束焊接方式已经成为必然，这为提高自带围带式隔板焊接质量，改善工人劳动条件，大幅度提高生产效率，提高自带围带式隔板的整体焊接制造水平提供了有力的支撑。为此，现代大功率汽轮机对自带围带式隔板的焊接主要使用真空电子束焊方式，MIG焊方式已经逐渐被淘汰。
        3、焊接隔板焊缝结构及焊接方法的改进
        焊接隔板出汽边焊缝受压应力，进汽边焊缝受拉应力。经计算表明，出汽边焊缝深度为1/4导叶宽度是合适的，进汽边焊缝应适当加强，焊缝深度选择在0.35导叶宽度为好。为了保证导叶两头与内外板体焊牢，防止出现未熔合现象，应采取如下措施：
        （1）导叶两头进出汽边侧应伸入焊缝1mm~1.5mm（为了保证内外板体装配顺利，导叶两头中间部分仍缩入围带1mm~1.5mm），如图1（b）所示。
        （2）高温区焊接隔板主焊缝尽量采用手工焊焊接。
        （3）有计划培训熟练焊工，不断完善二氧化碳气体保护半自动焊焊接工艺及方法，对不同隔板采用什么粗细焊丝，采用电流大小和焊接速度应摸索出一套完整规律来。
        结语
        隔板作为汽轮机中的核心部件，其焊接方法经过几代焊接人的不断研究发展，经历了从早期的手工焊条电弧焊到CO2气体保护焊、MIG焊、窄间隙MAG焊，再到真空电子束焊，这为汽轮机隔板焊接技术的不断提高打下了良好的基础。国内各汽轮机制造厂共同努力，多年来在设计和焊接工艺方面做了大量卓有成效的实验研究工作，焊接隔板强度和刚度有了很大提高。近年来出厂的汽轮机焊接隔板，在电厂中运行从未发现有较大永久变形现象，汽轮机焊接隔板焊接质量问题得到了根本解决。
        参考文献：
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