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125MW机组汽轮机低压缸焊接变形及处理
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2008-05-07 16:39:20  中国焊接之家    
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    1 概述
    酒钢热电厂技改工程1号汽轮机组是东方汽轮机厂生产的超高压、一次中间再热、单轴、双排汽、抽凝式汽轮机,型号为125/114-13.2/0.245/535/535,该机组为东方汽轮机厂生产的同类型机组第一台机组,也是国内该种结构形式的第一台机组。
    酒钢宏晟1号汽轮机本体安装从2002年3月18日开始,低压缸为现场组装。东汽厂生产的低压缸分前中后三段,采用螺栓组合后形成两条圆周接缝,组合后按图纸要求该接缝需进行密封焊接,根据东汽厂图纸标识该密封焊为满焊,焊条选用E4303,规格为φ3.2mm。焊接坡口形式为“V”型,坡口宽度为50mm,深度为30mm,对接坡口错边量达10~15mm,错边量占整条焊缝的1/4。低压缸结构形式为上下两半组成,上下两半分别由前、中、后三部分组成,各部分均由焊接形式组合而成,低压缸主要用材为Q235钢,缸体厚度为20mm钢板,其垂直结构合面与水平结合面法兰宽度均为220mm,厚度60mm,其外形结构如图1.

    另外,除对低压缸散件现场组焊外,图纸要求将低压缸内部连接板以及撑管也在现场进行组焊,其中撑管只在汽缸下部分分布,为左右对称,其作用为加强汽缸前、中、后刚性连接强度,而连接筋板只有汽缸上部有,共4块,左右各布置两块,其作用也是为了加强汽缸上部的刚性强度。详情见图2。

    结合面焊接、筋板焊接、撑管焊接焊缝具体如图3所示。

    2 低压缸现场组焊产生变形的情况
    安装单位根据东汽厂图纸要求,编写密封焊技术措施。经专业技术员审批同意后,焊接人员严格按焊接技术措施进行焊接,东汽厂驻工地代表在现场全过程监督,当焊接完毕后,为防止焊接变形,对焊缝进行对称锤击消除应力,待汽缸冷却至室温后,松开汽缸中分面螺栓,发现汽缸严重变形,在自由状态下,汽缸中分面间隙达到1.6mm(标准为不大于0.25mm),台板与汽缸底部支撑面间隙最大达到0.25mm(焊接前测量时0.03mm塞尺寸不入),前后汽封洼窝处最大错口量达2mm(焊接前前后汽封无错口)。中分面间隙颁分布如下图4.

    3 低压缸中分面变形原因剖析
    3.1密封焊变形应力分析
    由于低压缸中分面两道密封焊,焊接填充量过大,根据密封焊接时的受力分析,缸的密封焊对汽缸变形的影响如图5所示。

    图5为上汽缸在密封焊接时的受力分析,因上汽缸组合后为半弧形圆筒,上面以弧型封闭,下中分面为“口”字敞口。F1与F2:F3与F4:分别为密封焊接时汽缸后中与前中之间的作用力(焊接时融化的金属冷却收缩形成拉应力),其力使汽缸后与前中构成互相拉紧的作用:F5和F6为一相对作用,由汽缸中分面螺栓紧固而产生,F1与F5、F4与F6分别为一对作用力与反作用力,其作用使汽缸在密封焊接时各部们受力不均故而存在较大的内应力:而F7、F8与F9、F10同样由于紧固和热应力,使汽缸在自由状态下缸体两翼上翘,结合面出现间隙。变形的大小取决于焊接的方法与焊接量的大小程度。
    3.2 上缸连接板的焊接对汽缸变形的影响
    图2中B-B剖视图与下上缸后端汽封如图6所示。

    上缸的各连接筋板在汽缸组合前,分别与其端汽封加强板连在一起,中部如图2B-B中所示在中部与下部连在一起,且倾斜向上向调端与电端。在汽缸组合后,为了加强上缸的刚性,必须将前、中、后中筋用中间连接板进行连接。筋板焊接如图7所示。连接焊接时的受力如图7所示。

    由以上的受力分析可知,在连接板焊接时,前后汽缸要沿轴向对角线向内缩进,使汽缸在整体尺寸缩短:另外因上汽缸主要由20mm的钢板焊接而成,其刚性较下缸弱得多,因此即使连接板的焊接量很小,但对汽缸的轴间位移影响很大,所以汽缸组合后的主要变形为焊接连接板时所引起的汽缸轴向位移的变化。综合上述应力分析,加之各点应力大小不均,故汽缸在自由状态下成不规则变形与位移。
    4 汽缸变形修复焊接时所采取的措施
    根据以上对缸体产生变形的主要原因分析,修复过程中为了校正焊接时产生的汽缸变形,而采取了以下措施:
    4.1汽缸焊接方案总则
    4.1.1 焊前严格清理待焊区域的水分、油脂等杂物,焊条采用E4303 φ3.2、φ4mm并按要求将其烘干。
    4.1.2 采取较小电流(第一层 φ3.2,I=80~100A,第二层 φ4 I=130~150A),较快焊接速度进行操作。
    4.1.3 层间温度要求控制在60℃以下。
    4.1.4 施焊过程中密切监视百分表变化情况,当其变化值超过0.01mm时应停止施焊,待焊缝冷却后,百分表基本回归后方可继续焊接,并作好记录。
    4.1.5 除打底层焊缝外,其余焊缝采用锤击程度以百分表数值向减小变形为原则。
    4.1.6所有焊缝要求采用对称、分段退焊法进行焊接。
    4.2 下缸密封焊接方案

    4.2.1下缸密封焊时,是在下缸与上缸汽缸组合好后,在汽机基础上进行,为了能有效地控制由于焊接时的变形,所以下缸进行密封焊接时,将上缸揭去。
    4.2.2 在低压缸进行焊接时,将汽缸与台板的联接螺栓以及台板的地角螺栓进行紧固,同时将汽缸找平找正。
    4.2.3 汽缸焊接监控时的架表如图8所示。

    4.2.4 在焊接时,A、B、C、D四个点同时进行对称焊接,焊接的具体要求参见焊接方案总则的有关规定。
    4.3 下缸撑管焊接方案
    4.3.1 在下缸密封焊接完成后,可进行其撑管的焊接,在焊接时,架表的方式与其密封焊接时的形同。
    4.3.2 焊接时的顺序A、B、C、D四个点应同时进行,具体如图9所示。

    4.3.3 焊接的要求参见焊接方案总则的具体要求。
    4.4.  上缸密封焊与联接板焊接的方案
    4.4.1 在下缸所有焊接完毕后,可将上缸就位,并且将中部上下缸水平中分面左右的定位销安装完毕,中部汽缸水平中分面螺栓与定位销暂时不进行安装,但是定位销在自由状态下能够安装上,然后可进行密封焊与连接板焊接工作。
    4.4.2 在焊接之前,首先架表测量好焊接之前的各种原始数据,并作好记录,以备焊前与焊后的热变形原因分析。
    4.4.3 根据上汽缸的密封焊与连接板焊接时汽缸热变形的分析,密封焊与连接板的焊接引起汽缸热变形的方向刚好相反,但由于上缸的刚性较弱,所以连接板在焊接时引起的热变形要比密封焊接时引起的热变形大,因此在要控制重点,密封焊与连接板的焊接要交叉进行,使得焊接的热变形降低到最低的程度。
    4.4.4 在焊接时,要严格按照焊接总则的要求来执行。
    4.4.5 在焊接连接板时,应将四块连接板一边首先分别与其加强板的另一边进行焊接,在进行另一边焊接时要与密封焊接配合进行。
    4.4.6 密封焊与连接板的焊接要对称进行,但是在具体焊接过程中,先焊什么,后焊什么要根据具体的热变形来分别对待。
    4.4.7 密封焊接的顺序如图10所示。

    4.4.8 因为有两道焊缝,在焊接时每条焊缝应有两个焊工,所以应有4个焊工同时进行对称焊接。
    4.4.9 焊接时的架表方式除以上的架表方式外,还应增加4块表进行监控汽缸垂直向上变化的趋势,具体如图11所示:

    4.4.10 另外,因为汽缸垂直结合面要进行密封焊,所以所要焊接的部位的法兰结合面不再涂抹密封材料,以免由于在焊接时高温的状态下使密封材料汽化,而使密封焊缝产生裂纹。
    5低压缸中分面处理经过
    首先选用碳弧气刨分段割除原焊缝,当焊缝刨至剩余3~4mm左右时,听到一声巨响,整条焊缝裂开,证明焊缝的焊接应力较大,待焊缝冷却至室温测量中分面间隙,没有恢复到焊前水平,低压缸汽封依然有1.5mm的总错位量。经分析认为,低压缸内部连接板和支撑管还在起作用需全部割除。经过割除所有连接板和支撑管后,并重新进行了焊接,焊接时,上缸体通过支撑或拉伸的办法使缸体变形部位有一个反变形量,在变形中分面处布置至少12只千分表如图8焊接时,观察千分表的变化,同时每次施焊量较少,边焊接边冷却,观察缸体变形,从而控制千接变形量,使汽封错位是不是减小到0.19mm,符合技术设计要求。
    6控制汽缸焊接热变形修复处理最终效果6.1 汽缸轴向方向的最大变形量为0.19mm(厂家要求小于0.30mm):左右方向的最大变形量为0.03mm。
    以上的各方向的变形量对汽缸的安装质量基本不产生影响,所以完全达到预期的目的。
    根据上述经验,在2机低压缸现场组合施焊中,严格按照上述经验,使2机低压缸一次施焊完全达到优良标准。
    1机组在2004年5月份进行安装运行后首次解体检查,低压汽缸没有变化,证明安装中的变形处理是合理有效的。
    7结论
    虽然金属大件进行焊接时产生的热变形很大,但是只要认真地分析好引起变形的主次原因,采取确实有效可行的焊接施工措施,在施工过程中,就完全能够控制焊接时的热变形。
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