[doc] 三峡机组异钢转轮焊接工艺研究.doc
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1、三峡机组异钢转轮焊接工艺研究/三峡机组异钢转轮焊接工艺研究郑本英摘要本文介绍7三峡机组异种钢转轮焊接工艺研究中的技术关键与解决经过,特剐oCrl3NISMoI扳的非正太热处理工艺研究,下环的水压机成形,以殪异种铜叶片的熔嘴电渣焊工艺研究.这些都是国内外首创的,井已在安康转轮中成功应用,从而为今后三峡转轮的研制提供7可供借鉴的技术储备.异种钢焊接转轮在国内系我厂首创,经二十余年的制造与运行实践,证明是成功的.为了更上一层楼,使它能用于三峡水轮机巷蛰,就须对异种钢焊接转轮进行结构,材料与工艺优化.经过多次论证,最后推出以叶片中部为界,上部用2OMnSi钢,下部用oCt13NiSMo钢的新型异种钢焊
2、接转轮,并决定将下环由铸钢改为用新研制的oCr13NI5Mo(即S135)不锈钢板制造.为了验证此项新型结构的异种钢焊接转转的可行性,我们决定以安康电站2oOMW的5.5m转轮作为三峡机组的异种钢中间试验转轮,列入三峡机组的科研项目,进行综合性的工艺研究.仿三峡结构的安康异种钢焊接转轮结构如图1所示.与过去的异种钢焊接转轮不同之处是,叶片用20MnSi钢和0Crl3Ni5MO钢括叶片的33截面拼焊(原全是不锈钢叶片),下环用120mm厚的SI3B不锈钢板制造(原为2OMnSi钢铸造),为满足其连接外止漏环的需要,在下环外附焊有碳钢的钢板衬环.采揭时间:19鼋1年j月7日由于下环的工作应力很低,
3、丽S135不锈钢板的服屈强度在9ooMPa以上,根据国外经验,采用此类高强度马氏体不锈钢板制作转轮下环,可大幅度地减薄下环厚度.为此,我们选用120mm厚钢板,并使每面的加工余量由I52Omm)压缩了约50.这样,既节省钢材,又便于成形,还使下环重量接近苏联的不锈钢板制造的下环的水平(见表1().而啥尔滨电机厂制造的白山机组,虽然直径与安康机组相同,但转轮下环却用160ram厚的$135不锈钢板制造,比安康下环厚1/3.转轮采用异种钢组焊,国外应用得甚少,只是偶尔使用过,尚属试验性质,未获得推广.如苏联在六十年代初,制造布拉茨克217MW水轮机的5.5m转轮时,在最后就曾采用过上冠,下环为20
4、MnSi铸钢,叶片为0Crl2NiCu铸钢的异种钢焊接转轮(见图2(.),但未介绍具体工艺.英国在1964年倒是简要报导过叶片为B.S.1630A不锈钢,上冠,下环为碳钢的异种钢焊接S丁图1安康200MW水轮机异种钢焊接转轮表1安康转轮与苏联不锈钢转轮重量比较转轮的制造工艺.谚工艺与我厂过去采用的带过渡层的焊接工艺大相径庭,叶片两端须在预热240后堆焊Cr20Ni102.5Mo的奥氏体不锈钢过渡层,经620640消应回火后铲磨K型坡口(见图3).组装后,将上下接头预热50,用同样焊条进行焊接,要求层间温度控制在50150,焊后作580600回火,焊缝用着色渗透法检查(.而我厂则是在碳钢上冠与下
5、环上堆焊Cr18Ni12Mo2V过渡层,而后,又改为不堆焊过渡层的直接组焊工艺.1984年春,笔者赴美考察时,曾见到过Ac公司在焊接m七叶片的低水头,无下38环的38.7MW异种钢焊接转轮(见图4).旨图2苏联布拉茨克217MW水轮机异种钢焊接转轮蹦3带过渡层的异种钢转轮焊接接头图4无下环的混流式水轮机异种铜焊接转轮以上就是我们在国外搜集到的异种钢焊接转轮资料.从搜集到的资料看,目前国外水轮机转轮,几乎全是由碳锕或不锈钢蛆焊的同种钢焊接转轮.当代的7QoMW的大古力,依泰普机组转轮均为碳钢焊接转轮,面苏联却较多采用全部用0Crl2NiCuOOCr12Mi3Cu不锈钢焊接的转轮(见表1).综上所
6、述,可以看出,国外迄今仍对异种钢焊接转轮持怀疑态度,这也是台作制造的五强溪机组8.5m转轮采用异种锕焊接遭排斥的原因.其次,就安康这一试验转轮的结构而言,除叶片采用异种钢组焊为国外前所未有外,其余则都是屡见不鲜的.如叶片采用拼接,这实际是从带叶片凸台的上冠,下环演变而来的.如大古力700MW9250mm转轮,各叶片就是拼焊的:,甚至将叶片中部的拼接作为厂内分瓣制造,至电站组焊成整体转轮的一种手段.如德国制造的卡巴拉巴莎机组,转轮分三瓣运往电站(见图5(),日立制造的麦卡不锈钢转轮分上,下两半运往电站组焊.)等.设在叶片中部的接头,尚有工作应力较低,曲率较小,利于无损探伤等优点,而且,其接头焊接
7、工作量与焊材消耗,均比T型接头少3O4O.此外,还将解决特大叶片的铸造或模压的困难.而对安康转轮而言,则更有其特殊意义,也即是使叶片由不同钢材组焊,不仅能确保下段叶片抗汽蚀与磨损,而且,还从而使叶片上,下接头都成为同材焊接接头,既节省了不锈钢焊接材料,又缓和了上,下接头的残余应力.图5分成三瓣运往电站组焊的转轮要完成安康新结构的异种钢试验转轮的研制任务,必须突破以下的关键技术问题.(1)120ram厚S135高强度马氏体不锈钢板的进广后的热处理.(2)这么厚的高强度不锈钢板如何成形并蛆焊成所需的下环.(3)异种钢叶片的接头,用何种焊接方法才能控制焊接变形和保证焊接质量.从以上三项关键看来,本课
8、题涉及内容较广,并不是单纯的焊接工艺研究.为此,我们成立了综台性的课题研究组,经过三年多时间的努力,终于完成这一重大科研任务.现将安康转轮研制情况介绍如下.1.S135不锈钢板的轧制后的热处理按负责研制此项钢板的北京钢铁研究总39院的规定要求,该钢板轧制后须经1000x3.5h+600x7h+590x7h的正,回火热处理,才能使用.供货厂(鞍钢)因炉子超载不能承担,而我厂的炉子又不适宜正火.为此,我们先后作了七种不同规范的热处理试验,旨在寻找一种可取代正火的热处理规范.最后,终于找到了620x9h+600x7h两次回火的热处理规范.处理后的机械性能和金相组织与北京钢铁研究总院正,回火所得的结果
9、一致(见表2),其金相组识也是回火马氏体和逆转奥氏体.该热处翌规范得到北京钢铁研究总院的肯定和赞赏.2.下环成形因当时鞍钢只能轧制1300ram宽120ram厚的$135钢板,因此安康转轮下环须分八瓣成形.按常规,此种锥体形下环应由滚板机成形,估算约须有1600t滚板机才能胜任.我厂现有滚板机远不能满足此项需要.我们曾与杭州锅炉厂联系协作,该厂拥有2400t大型滚板机,从能力来说是足够的,但因该厂无滚卷锥形体的经验,没有把握.最后只能借助第二重型机器厂用3150t锻压水压机来成形.用此项非常规方法成形,操作难度与劳动强度均很大,须由吊车和50t夹持锻坯用的操作机联用来移动下环扇形板坯,极为费事
10、.经多次摸索,终于掌握其成形诀窍,也即除了须在水压机上用长1.5m的弧形样板测量下环大小口的弧度外,尚须测量45.下环大小口的弦长和两者对角线的弦长,并在压形时使钢板上的标志线(压线)尽可能与上砧座一致.最后,须在平台上再次复查上述尺寸,井用角度样板卡量45.下环的锥度.403.下环组焊由钢板制作的下环,除小型转轮外,均须分瓣拼焊,只是分瓣数与拼焊方法不同而已.如上述大古力7O0MW水轮机的钢板下环,就是分成四瓣后,由电渣焊组焊的.该下环外径为9900ram,分上,下两段拼焊,每瓣的环缝在厂内藉变位机进行电渣焊.而后,为便于焊接和减少变形,在焊分瓣接头时,将接头用3英寸钢袄组成矩形断面后,再用
11、电渣焊将四瓣下环组焊成两个180.下环,加工及运至电站后,仍按上述方式组焊成整个下环(见图6).铆囤6分上,下两段由钢板拼焊的太古力水轮机转轮下环该下环系用ASTMA516-70碳素锅炉钢板制造,焊接并不困难.而不锈钢板的下环的拼焊,国外(特别是苏联)已使用不少(表1已列了一部分),可是,却未见具体焊接工艺方法的报导,只知00Cr12Ni3Cu这类不锈钢须采用150预热焊接措施.至于安康下环0Crl3Ni5Mo不锈钢,虽然已知其焊接性能远优于00Crl2Ni3Cu不锈钢,但用电渣焊情况如何,能否在焊后作消应圊火即可使用,却找不到答案.因为这些问题不仅涉及到下环能否用电渣焊拼焊,而且,也同样关系
12、到安康异种钢担焊叶片能否采用电渣焊.日本三菱公司曾对0Crl3Ni1和0Ci13一Ni3.8不锈钢用于转轮问题作过电渣焊研究.从他们的研究结果来看,并不令人满意.虽然是能采用电渣焊,且也说了这些不锈钢的电渣焊规范可与碳钢规范一致,但由于接头热影响区的韧性很低,须在焊后经消应回火及作9505h正火及600x1oh回火,才能达到表3所示的接头与焊缝的机械性能.两者的水下疲劳强度和抗汽蚀性能则均优于0Crl3Nil和0Crl3Ni3.8不锈锕母材c,但未阐明要否预热和采用何种焊剂.表30Crl3Ni3.8不锈钢电渣焊接头经正,回火后的机械性能aSa矗l莒汪AK翱抒斌掸熹刖(MPa)()(I)0Or1
13、sNi3.8坪琏叠?.2900.j19.Bl8.B100ram犀戎件77.4蚌接接岳$87.2904.22i.1l57.1诚囊汪虞z5所用蚌芷OCr13Nij.814此项试验给果并未用于实际转轮的制造.0Crl3Ni3.8不锈钢,实际与0Crl3Ni4不锈钢属同一类型,其Ni的含量与0Crl3NiSMo不锈钢也相差不多就焊接性能而言,两者也相差不多,按说在电渣焊后,接头韧性是不会报低的.之所以会这样,主要是焊丝选用不当,不足弥补焊时合金元素的烧损(特别是铬).为此,我们知难而进,首先从焊丝着手,采用铬镍含量高,含碳虽很低的00CrlTNi6Mo型的LSS一暑21焊丝(3),其主要化学成分tCt
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