核電汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)

核電汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)電氣工程術(shù)語01背景介紹上汽的焊接轉(zhuǎn)子歷史核電汽輪機(jī)各種形式轉(zhuǎn)子對比國內(nèi)外核電焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展上汽核電焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展現(xiàn)狀結(jié)語目錄0305020406基本信息汽輪機(jī)所有部件的組合體成為轉(zhuǎn)子，擔(dān)負(fù)著工質(zhì)能量轉(zhuǎn)換及扭矩傳遞的重任。核電汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)緊湊、輪盤和轉(zhuǎn)子可以單獨(dú)制造，焊接整體后轉(zhuǎn)子剛性較大。焊接轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)子焊接接頭質(zhì)量和性能、轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝措施等，如轉(zhuǎn)子母材及焊材的選擇，坡口尺寸及相對轉(zhuǎn)子空腔的位置精度。背景介紹背景介紹核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子作為汽輪機(jī)的核心部件之一，其鍛件鋼錠、毛坯的質(zhì)量和尺寸都很大，鍛造難度大，性能熱處理要求苛刻，因此在世界范圍內(nèi)的供貨能力有限。由于轉(zhuǎn)子最大外徑達(dá)3100mm左右，末級葉片長度超過1700mm，轉(zhuǎn)子在機(jī)組運(yùn)行時承受著巨大的離心力、扭轉(zhuǎn)力矩以及啟動和調(diào)峰過程中的載荷突變。極高的轉(zhuǎn)子鍛造難度以及復(fù)雜的運(yùn)行工況對轉(zhuǎn)子的各項性能提出了更高的要求。目前，大型核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子主要有3種結(jié)構(gòu)形式，即整鍛轉(zhuǎn)子曰、套裝轉(zhuǎn)子困和焊接轉(zhuǎn)子。由于大型核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子的直徑增大導(dǎo)致自重增加，因此通過焊接工藝將較小鍛件連接而成的焊接轉(zhuǎn)子成為核電汽輪機(jī)重點發(fā)展的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。焊接轉(zhuǎn)子具有空腔結(jié)構(gòu)，相對質(zhì)量輕，相比其他結(jié)構(gòu)形式，具有選材靈活、殘余應(yīng)力小、啟動和負(fù)載時擁有良好的工作特性等獨(dú)特的優(yōu)勢。但這對焊接工藝、焊接和鍛件材料等提出了很高的要求

。我國核電汽輪機(jī)發(fā)展的目標(biāo)是明確的，即具備自主化的核電汽輪機(jī)設(shè)計及生產(chǎn)制造的能力。因此，對焊接技術(shù)進(jìn)行研發(fā)，并具備相關(guān)的自主知識產(chǎn)權(quán)，可以有效地解決大型鍛件供貨問題

。國內(nèi)外核電焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)外核電焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)的發(fā)展隨著社會的不斷進(jìn)步和工藝技術(shù)水平的不斷提高，新的焊接方法、焊接材料不斷涌現(xiàn)。焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)發(fā)展迅速，工藝方法不斷改進(jìn)，工藝穩(wěn)定性逐漸提高

。世界上最早發(fā)展焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)的公司是ALSTOM。1926年，在Dr.AdolfMeyer

的倡導(dǎo)下，人們開始研究轉(zhuǎn)子焊接技術(shù)。1930年，ALSTOM完成了第一根14MW焊接轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)，焊接轉(zhuǎn)子在日本和比利時的機(jī)組中得到了最早的使用。后來，ALSTOM將焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)應(yīng)用到汽輪機(jī)高、中、低壓轉(zhuǎn)子以及燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。隨著核電的復(fù)蘇、大鍛件供應(yīng)的緊缺以及汽輪機(jī)效率進(jìn)一步的提高，ALSTOM在該技術(shù)上的投資和擴(kuò)張進(jìn)一步升級。根據(jù)電站汽輪機(jī)發(fā)展的需要，各汽輪機(jī)制造商競相發(fā)展焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)。德國西門子60年代初就設(shè)計制造了600MW汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子，并在Westalen電站

投運(yùn)了1臺175MW焊接轉(zhuǎn)子的汽輪機(jī)。該公司生產(chǎn)的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)中低壓焊接轉(zhuǎn)子，材料為CrMoV+NiCrMoV鋼，采用窄間隙U型坡口，自動氫弧焊(TIC)工藝方法。意大利的FRANCOTOSI公司在上世紀(jì)90年代引進(jìn)ABB的焊接技術(shù)，至今仍在生產(chǎn)焊接轉(zhuǎn)子，產(chǎn)品主要包括同種鋼及異種鋼中低壓、高中壓焊接轉(zhuǎn)子。日本的三菱重工為了適應(yīng)汽輪機(jī)高溫化、大容量化，在90年代初開始了焊接轉(zhuǎn)子的技術(shù)研究，主要針對高溫同種鋼和異種鋼焊接轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子最大外徑僅為1500mm。但國外除ALSTOM公司外，其他汽輪機(jī)制造商還未見有核電汽輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)子應(yīng)用業(yè)績的報道。國內(nèi)上汽是研究和發(fā)展焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)最早也是最好的公司。上汽的焊接轉(zhuǎn)子歷史上汽的焊接轉(zhuǎn)子歷史上汽在1959年開始從事焊接轉(zhuǎn)子的一系列設(shè)計與研究工作，當(dāng)時根據(jù)國家科委科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃和一機(jī)部的安排，對大型轉(zhuǎn)子的焊接技術(shù)課題進(jìn)行了先期試驗研究，包括焊接工藝技術(shù)、焊接材料、焊接轉(zhuǎn)子專用設(shè)備、轉(zhuǎn)子鍛件材料、焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計等研究領(lǐng)域，并在1964年成功焊接制造了6MW燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子。后來又先后完成了125MW到300MW以及1000MW全速火電汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制造。到目前為比，上汽共完成不同類型的焊接轉(zhuǎn)子400余根，積累了豐富的焊接轉(zhuǎn)子設(shè)計、制造與運(yùn)行經(jīng)驗。在近60年的進(jìn)程中，隨著汽輪機(jī)設(shè)計、材料技術(shù)的發(fā)展和焊接工藝技術(shù)的進(jìn)步，上汽持續(xù)開展技術(shù)研發(fā)，并使之在火電汽輪機(jī)、壓氣機(jī)、燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。在核電汽輪機(jī)方而，上汽早在1974年就開始了相應(yīng)的研發(fā)工作，當(dāng)時在一機(jī)部的部署下，完成了650MPa強(qiáng)度等級的大型半速核電汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子鍛件材料及焊接轉(zhuǎn)子工藝技術(shù)開發(fā)。2009年開始了新一輪而向百萬千瓦級核電低壓焊接轉(zhuǎn)子工藝技術(shù)的開發(fā)工作，上汽于2010年完成了設(shè)備的升級，己具備350t核電低壓焊接轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)制造能力，先后完成了強(qiáng)度等級更高的鍛件材料的研制、工藝技術(shù)開發(fā)、不同尺寸環(huán)形模擬件試驗驗證、焊接接頭性能測試及無損檢驗等工作

。上汽核電焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展現(xiàn)狀低壓轉(zhuǎn)子鍛件材料焊接轉(zhuǎn)子的坡口及工藝方法改進(jìn)焊接設(shè)備過程質(zhì)量控制上汽核電焊接轉(zhuǎn)子的發(fā)展現(xiàn)狀低壓轉(zhuǎn)子鍛件材料早期用于制造低壓轉(zhuǎn)子的鍛件材料主要為17CrMo1V，鍛件強(qiáng)度較低，韌性較差，淬透性欠佳。第三代核電技術(shù)低壓蒸汽為飽和蒸汽，低壓轉(zhuǎn)子尺寸大、質(zhì)量重，末級長葉片更長，要求在半轉(zhuǎn)速((1500r/min)下高速旋轉(zhuǎn)，因此承受著巨大的離心力、扭轉(zhuǎn)力矩，對鍛件材料提出了更高的要求。隨著鍛造、冶煉技術(shù)的不斷改進(jìn)，嚴(yán)格控制鍛件中的雜質(zhì)元素P、Sn、As、Sb等，能提高鍛件的強(qiáng)度，改善韌性，降低FATT值，同時使鍛件具有更好的抗應(yīng)力腐蝕性能。上汽采用的700MPa強(qiáng)度等級NiCrMoV鋼，材料的淬透性好，可淬透截而尺寸達(dá)到1200mm，可以滿足大型核電低壓焊接轉(zhuǎn)子的尺寸要求。焊接轉(zhuǎn)子的坡口及工藝方法改進(jìn)圖1早期使用的焊接坡口焊接坡口設(shè)計是否合理直接影響到焊縫質(zhì)量、焊接過程中收縮應(yīng)力分布及焊接效率。由于焊接轉(zhuǎn)子是由小鍛件拼焊連接而成的，內(nèi)部形成型腔，焊后無法進(jìn)行反而清根，因此需要單而焊雙而成形。為了保證根部焊縫熔透的同時盡量減少根部焊縫應(yīng)力，早期使用的焊接坡口形式如圖1所示，根部使用開口的管子作為焊接襯墊，根部焊縫采用手工電焊條焊接完成，填充部分采用埋弧焊方法，因此坡口設(shè)計較寬。采用手工焊接，對焊工焊接技能水平要求極高，人為影響因素大，過程質(zhì)量穩(wěn)定性差，焊縫質(zhì)量不容易控制。隨著焊接工藝技術(shù)的進(jìn)步，自動化窄間隙工藝越來越廣泛地應(yīng)用在石油化工、能源、船舶、海洋平臺等領(lǐng)域的大厚壁結(jié)構(gòu)上。核電低壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量重，尺寸大，窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)該是較好的工藝方法。上汽根據(jù)自己的核電低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開展了窄間隙焊接工藝技術(shù)開發(fā)工作，經(jīng)過多次反復(fù)試驗，最終優(yōu)化后的坡口形式如圖2所示，該坡口寬度僅為25mm左右。自動窄間隙焊接是一種高效、優(yōu)質(zhì)的焊接方法，在當(dāng)前的焊接生產(chǎn)中得到了越來越多的使用。圖2優(yōu)化后的焊接坡口窄間隙焊接技術(shù)相比其他技術(shù)具有如下優(yōu)點。(l)縮短焊接時間；(2)減少焊接材料費(fèi)用；(3)減少焊接變形；（4）焊接質(zhì)量穩(wěn)定性高。焊接設(shè)備為了滿足核電低壓焊接轉(zhuǎn)子的需要，上汽在2010年進(jìn)行了設(shè)備升級，能夠滿足最大載重350t轉(zhuǎn)子焊接的要求。封底及加厚焊道采用窄間隙氫弧焊完成，使用四把焊槍協(xié)同作業(yè)；填充焊道采用窄間隙埋弧焊，大幅度提高了焊接效率。其設(shè)備的主要指標(biāo)如下：(l)焊接轉(zhuǎn)子最大質(zhì)量：350t；(2)焊接轉(zhuǎn)子最大外徑尺寸：500mm；(3)焊接坡口最大深度：260mm。過程質(zhì)量控制核電低壓焊接轉(zhuǎn)子尺寸大、質(zhì)量重，過程質(zhì)量控制變得更為復(fù)雜、困難。上汽針對與核電低壓轉(zhuǎn)子尺寸一致的環(huán)形模擬件開展了工藝試驗探索，并驗證生產(chǎn)制造工藝，形成了核電低壓焊接轉(zhuǎn)子過程質(zhì)量控制體系，其內(nèi)容簡介如下：1)焊接坡口裝配：由于轉(zhuǎn)子尺寸更大、質(zhì)量增加，導(dǎo)致焊接裝配變得更為困難，需要專用的工裝來完成焊接輪盤的裝配，為此設(shè)計了核電低壓焊接轉(zhuǎn)子專用起吊工裝進(jìn)行裝配。轉(zhuǎn)子坡口的加工精度及嚴(yán)格的裝配工藝保證了轉(zhuǎn)子裝配同軸度的要求。2)焊前預(yù)熱及過程保溫：焊接轉(zhuǎn)子鍛件材料為NiCrMoV鋼，由于其具有冷裂紋敏感性的特點，因此要求在一定的預(yù)熱溫度下焊接，防比冷裂紋的產(chǎn)生。上汽采用感應(yīng)加熱的方式對整個轉(zhuǎn)子進(jìn)行預(yù)熱和保溫，通過分區(qū)控溫保證轉(zhuǎn)子溫度的整體均勻性。3)焊接：轉(zhuǎn)子根部焊縫要求單而焊雙而成形，因此第一道焊縫能否熔透，直接關(guān)系到焊縫的質(zhì)量能否滿足要求。氫弧焊封底焊時，焊接位置為橫焊，通過精準(zhǔn)的工藝控制實現(xiàn)根部焊縫100%熔透。核電汽輪機(jī)各種形式轉(zhuǎn)子對比核電汽輪機(jī)各種形式轉(zhuǎn)子對比目前大型核電氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子有三種結(jié)構(gòu)形式，即整鍛轉(zhuǎn)子、套裝轉(zhuǎn)子和焊接轉(zhuǎn)子，三種結(jié)構(gòu)各有利弊

。整鍛轉(zhuǎn)子優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、整體性好，缺點是鍛件尺寸大，對鍛造技術(shù)和設(shè)備要求較高，工藝及質(zhì)量檢驗比較復(fù)雜、材料損耗大。對于象1000MW以上的半速汽輪機(jī)的低壓轉(zhuǎn)子這樣的超大型整體鍛件目前制造上難度較大。這種結(jié)構(gòu)的百萬千萬級的核汽輪機(jī)目前國內(nèi)也已開始訂貨制造，但轉(zhuǎn)子鍛件毛坯制造技術(shù)國內(nèi)尚未有先例。套裝轉(zhuǎn)子輪盤與軸采用鍵聯(lián)接過盈配合，輪盤與軸分別單獨(dú)制造，優(yōu)點是鍛件小，加工方便。缺點是葉輪孔處應(yīng)力較大、轉(zhuǎn)子的剛性差，在高溫運(yùn)行過程中，蠕變易使葉輪與主軸套裝處產(chǎn)生松動現(xiàn)象;快速啟動適應(yīng)性差。焊接轉(zhuǎn)子優(yōu)點是有空腔結(jié)構(gòu)相對重量輕，剛度大，尤其適應(yīng)核電汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子需要直徑大、重量大的要求;分段鍛造鍛件尺寸小，加工方便。缺點是對焊接工藝要求高，要求材料有良好的焊接特性。大型核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子毛坯制造技術(shù)，在汽輪機(jī)制造領(lǐng)域?qū)儆陉P(guān)鍵技術(shù)，目前我國仍處在起步階段，國內(nèi)某大型氣輪機(jī)制造企業(yè)，正在進(jìn)行技術(shù)改造和引進(jìn)，百萬千瓦級核電汽輪機(jī)低壓焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)改造項目計劃2013年形成年產(chǎn)5根的生產(chǎn)能力，百萬級核電套裝轉(zhuǎn)子技術(shù)改造項目計劃在2011年形成年產(chǎn)5根的生產(chǎn)能力。結(jié)語結(jié)語焊接質(zhì)量的保