轴流式水轮机叶片的焊接变形控制方法

摘要

本发明提供一种轴流式水轮机叶片的焊接变形控制方法,它是将切割成条的钢板立起,布在待修复叶片正面,并成立体网状结构,然后将钢板与叶片焊接牢固,对叶片进行大面积施焊,施焊完成后,整体高温回火,回火后即刻割除钢板。本发明工艺先进,修复效果好,操作方便,大大减轻了工人的劳动强度,修复费用低,可为企业节省大量资金。

说明书

本发明涉及轴流式水轮机叶片的修复，特别是轴流式水轮机叶片的焊接变形控制方法。

在水电厂，轴流式水轮机是主要工作设备，由于河水或江水中挟带着大量石英质砂砾，再加上设计、施工缺陷的影响，使水轮机过流部件磨蚀破坏严重，导致水轮机叶片工作寿命严重缩短。经统计，黄河中下游水电厂水轮机叶片寿命最短的只有10年。多台水轮机在5年～6年的扩修周期内(包含1次大修)，叶片背面的气蚀面积高达13m²，气蚀深度也达40mm，面积和深度均达总量的2／3。破坏部位主要集中在叶片外缘和外线向内约800mm的环形区域内，单个叶片的失重量达0．5t，堆焊的焊条耗用量竟达3t之多。

为减缓水轮机叶片破坏速度，延长其工作寿命，许多水电厂投入资金，将叶片材料全部采用了OCr13Ni4Mo不锈钢。由于OCrl3Ni4Mo不锈钢的不耐磨性，叶片背面的磨蚀破坏依然十分严重。气蚀面积也近10m²，深度达30mm，尤其是叶片减薄现象极为显著，个别叶片的失重竟达1t以上。

由于水轮机叶片具有复杂的工作表面，经不均匀磨蚀破坏后，整个叶片的厚度相差甚大，其外缘最厚处约50mm，最薄处仅1mm～2mm，当用金属堆焊方法填充叶片表面至规定线形和几何尺寸时，各处堆焊的金属量必然不等。因此，在施行堆焊时必然会产生焊接应力的不均匀分布，从而导致叶片形线的变化。多家水电厂在以往的检修中，叶片就曾经出现过翘角、扭曲变形和因在背面环形气蚀区域内大量堆焊引起的外缘向背面下烧，产生约30mm～50mm的烧曲变形，降低了水轮机效率和工作寿命，并引起恶性循环，最终导致叶片报废。

造成焊接变形的原因是多方面的，主要有以下几点：

首先，叶片的焊接变形，是由焊接的热过程特点所决定的。众所周知，热胀冷缩是黑色金属的基本特性，其膨胀量与受热温度呈正相关关系。施焊时，焊接热源是瞬间集中作用于焊件局部区域并作相对运动。这种不均匀的加热方式，必然在焊件被瞬时加热的局部三维区域内形成不均匀的温度场，导致该区域内不均匀的金属膨胀，形成内部压缩应力的不均匀分布，产生变形。同时，受热区域周围来被加热的金属，也要限制其热膨胀，致使被加热区域在加热时受到压缩应力作用，产生变形。

施焊结束后，焊接金属在凝固、冷却时，将产生收缩。同样，温度场的不均匀必将导致金属收缩量的不均匀，形成内部拉伸应力的不均匀分布，产生变形。同时，受热区域周围未被加热的金属，也要限制其冷收缩，致使被加热区域在冷却时受到拉伸应力作用，产生变形。

以上两个过程的焊件内部应力和变形的变化，最终导致焊件内部产生状态复杂的焊接残余应力和残余变形。

原因之二，与水轮机转轮叶片形状有关。叶片形状为复杂空间曲面，自身内应力分布复杂，易失稳变形。又由于叶片各处磨蚀程度很不均匀，因而使叶片各处堆焊时填充金属量和受热程度有很大差别。填充金属量越多的区域，受热次数越多，该区域的焊接应力、应变也越大。

由于上述两个主要原因的综合作用，使叶片焊接时产生变形难以控制。通常叶片在检修时，要用数以吨计的焊条进行大面积的堆焊，通常会产生诸如角变形、挠曲变形及波浪形失稳变形等，难以用校正方法加以矫形。

传统的变形控制方法主要有低温预热、采用小焊接规范施焊、分仓跳焊、对称施焊、锤击焊缝等。通过多年实践发现，这些方法在应用中都难以有效地控制焊接变形。目前，在利用焊接方法对轴流式水轮机叶片进行修复的领域，还没有好、具有实用性的控制焊接变形的方法。

本发明的目的就是提供一种操作方便、安全可靠、能现场修复，成本低、有实用性的轴流式水轮机叶片的焊接变形控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

该轴流式水轮机叶片的焊接变形控制方法，具体是：将切割成条的钢板立起，布在待修复叶片正面，并与叶片正面线性吻合，成立体网状结构，然后将钢板与叶片焊接牢固，对叶片进行大面积施焊，施焊完成后，整体高温回火，回火后即刻割除钢板。

具体特点和效果是：

1、工艺先进，修复效果好。

以如下叶片为例：修复前，叶片正、反两面气蚀面积达18m²，气蚀坑深达20mm～30mm，每个叶片缺角达1000mm²～1300mm²。叶片磨蚀失重量为600kg。

叶片堆焊、打磨结束后，叶片净增重量270kg。通过技术测定，叶片线性基本可以达到原厂家设计标准，机组出力可达到设计要求。

2．操作方便，减轻工人劳动强度。

还以前述叶片的修复为例，整个修复过程仅用48天完成。

3．可延长叶片的使用寿命。

由于采用了合理的焊接材料，以及在叶片检修中，以随机叶型为主，从而，修复后可大幅提高叶片的使用寿命。

4．修复费用低，为企业节省大量资金。

过去，叶片大面积损坏后，不能修复，会造成几百万元的损失，而经过本发明所提供的工艺修复后，可恢复叶片原状，费用不及叶片造价的1／3。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步叙述。

图1为本发明实施例结构示意图。

实施例一：

待修复叶片情况：叶片负压面沿外缘约400mm的环形区域内磨性严重，表面形状已不复存在。该区域磨蚀坑密布，平均坑深约15mm，最大坑深约20mm，同时伴有严重的减薄现象。在叶片吊装孔处，该区域的减薄量20-25mm。叶片外缘磨蚀严重，磨蚀坑密布，表面形状已不复存在。单个叶片失重量约为300kg左右。

叶片修复：

1．清理、取样

(1)叶片全面去污、清理；

(2)进行材质取样，确认叶片材质。

2．外观检查，处理缺陷

3．叶型测量及校型

(1)对所有叶片的所有变形部位进行校正；

(2)测量、记录原始叶型。

4．称重

称重，并记录叶片原始重量。

5．叶片表面堆焊

将切割成条的钢板立起，布在待修复叶片正面，钢板的厚度是：15mm，钢板立起时高度为：300mm，相邻钢板之间的距离是：150mm。钢板的分布状态如图1所示，钢板2与叶片1正面线性吻合，成立体网状结构。分布完成后，将钢板2与叶片1焊接牢固，对叶片1进行大面积施焊。这种刚性固定的方法，可有效防止对叶片进行大面积施焊过程中，叶片发生变形。

具体施焊方法：

(1)根据施焊部位及施焊量，分析、确定焊接应力的方向和分布规律；

(2)磨蚀面清理～刨除磨蚀残留金属；打磨露出金属光泽；

(3)堆焊修复；

(4)初步堆焊修复叶片外缘至给定的尺寸；

(5)成形；

使用粗砂轮片打磨堆焊层表面，使叶片线型流畅，基本符合流线型要求。

7．退火，消除焊接残余应力

施焊完成后，整体高温回火，消除焊接残余应力，回火后即刻割除钢板。

8．叶片型线检查及定型

(1)测量修复后叶型，并与原始叶型相比较，检查叶片的修复变形量；

(2)根据需要，对所有叶片的所有不符合型线要求的部位进行处理，使叶片线型流畅，无局部凸凹、波浪现象。

9．外观检查、消缺，叶片精磨

(1)对叶片外观进行全面检查，对有疑问处采用着色法探伤检查，消除焊接外观缺陷；

(2)打磨叶片所有表面，提高光洁度。

10．称重

对比修复后重量与修复前的重量。

11．外缘修复。

12．进行转轮静平衡。

实施例二：

在叶片表面堆焊时，钢板的厚度是：20mm，钢板立起时高度为：200mm，相邻钢板之间的距离是：260mm

实施例三：

在叶片表面堆焊时，钢板的厚度是：30mm，钢板立起时高度为：100mm，相邻钢板之间的距离是：450mm