第51卷增刊（2）2020
年12月
人民长江Yangtze Ｒiver Vol．51，
Supplement （Ⅱ）Dec．，2020
收稿日期：2020－09－19作者简介：杨
航，男，助理工程师，主要从事金属结构安装监理工作。E －mail ：iko308895@126．com
文章编号：1001－4179（2020）S2－0138－05
杨
航，朱
新，游
凯
（长江三峡技术经济发展有限公司，北京100038）
摘要：白鹤滩水电站水轮发电机蜗壳材料采用SX780CF 高强度钢，其合金元素含量高、屈服强度比大、碳当量较高、
焊接性较差、对氢敏感存在冷裂纹倾向，焊后接头处易出现淬硬倾向，从而致使产生的淬硬组织造成母材塑性下降的问题。为了提高蜗壳焊缝质量，经过专项研究和分析，提出了相应的措施；并通过对蜗壳焊接方法、
焊材选用、焊前准备、焊接电参数、后热处理等焊接工艺进行理论分析及试验检测，确定了适宜的蜗壳焊接工艺，从而使蜗壳焊缝质量得到了保障。关
键
词：焊接工艺；蜗壳焊接；水轮机；白鹤滩水电站
中图法分类号：TV547．3
文献标志码：A
DOI ：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．035
1工程概况
白鹤滩水电站作为国内在建的第一大水电工程，其左、
右岸地下厂房各布置了8台单机容量为1000MW 的水轮发电机组，总装机容量为16000MW 。由于蜗壳是极其重要的承压容器且首次大规模地在水电站工程
建设中使用SX780CF 高强钢，
因此为了保证蜗壳在承受巨大水压时仍能够正常工作，
就必须提升蜗壳的焊缝质量，
这也正是蜗壳焊接作业的难点和重中之重。为了解决这个难题，
需要通过焊接试验及进行理论分析来确定蜗壳的焊接工艺，
以达到提高焊缝质量的目的。左岸蜗壳外形尺寸为27．2m ˑ24．9m ˑ8．8m ，
总重量为652t ，共分34节，单节最大尺寸为Ф8．8m ˑ4．5m （进口段），最大板厚为83mm ，最小板厚为38mm 。机组内共设置4个定位节和4个凑合节，总共形
成了35条环缝、
6条纵缝和2条上下布置的蝶形边焊缝，
需在现场进行焊接作业。蜗壳布置如图1所示。2蜗壳材质
蜗壳材料为SX780CF 钢材，系800MPa 级高强
钢，
钢材的合金元素含量高、屈服强度比大、碳当量较高、
焊接性较差，对氢敏感存在冷裂纹倾向，焊后接头处易出现淬硬倾向，而且产生的淬硬组织会导致母材
塑性下降。SX780CF 钢材的化学成分如表1所列。SX780CF 钢碳当量及焊接裂纹敏感指数检测结果如表2所列。
图1蜗壳布置示意
3蜗壳焊接工艺3．1
焊接方法
焊接方法作为焊接工艺的首道工序，选择时需要
根据焊接作业环境、
焊接位置以及母材的性质等进行
增刊（Ⅱ）杨航，等：白鹤滩水电站左岸蜗壳焊接工艺解析
表1SX780CF钢的化学成分检测结果%
项目C Si Mn P S Cr Ni Mo Cu V B
板厚≤80mm≤0．0900≤0．50000．7 1．5≤0．0150≤0．0050≤0．60000．5 1．5≤0．7000≤0．5000≤0．5000≤0．0004板厚80 120mm≤0．1000≤0．50000．7 1．5≤0．0150≤0．0050≤0．60000．5 1．5≤0．7000≤0．5000≤0．5000≤0．0004检验值0．08000．11001．30．00800．00600．26000．60．48000．35000．0400
表2SX780CF钢碳当量及焊接裂纹敏感指数检测结果
板厚/mm碳当量C E/%焊接裂纹敏感指数P cm/%
≤80≤0．520≤0．250
80 120≤0．540≤0．260
检验值≤0．515≤0．221注：国际焊接学会碳当量公式C E（IIW）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/ 5+（Ni+Cu）/15，%；冷裂敏感指数（P cm）的计算公式P cm=C+Si/30 +（Mn+Cu+Cr）/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B，%。
灵活选取，确定后才能选择与之相匹配的焊接工艺参数。由于蜗壳须在机坑内进行挂装和焊接作业，因此形成焊缝所处的位置和角度复杂。而手工电弧焊的弧焊电源携带方便，可以对蜗壳全位置的焊缝进行焊接，而且相较于其他焊接方法来说飞溅较小。因此，经分析比较后，选择了手工电弧焊为左岸蜗壳焊缝的焊接方法。
3．2焊材选用
由于白鹤滩水电站左岸蜗壳材质为800MPa级高强钢，在焊材选用时着重考虑了焊接接头的塑形、韧性以及抗裂纹、抗气孔的能力，焊缝强度过高时，将会导致接头塑性、韧性降低，因此根据等强原则，综合考虑抗裂纹性及抗气孔性后，决定选用奥钢联伯乐T PHOenix11018手工电弧焊条。通过对焊接工艺进行评定，焊接接头各项性能均满足设计要求。采用的焊条焊芯直径为3．2mm与4．0mm两种规格，焊条的化学成分列于表3。
表3焊条T PHOenix11018化学成分%检测试样C Mn P S Cr Mo Ni Cu V Nb 3．2mm
焊条
0．051．830．0060．0060．500．552．140．0380．0010．004
4．0mm
焊条
0．041．600．0070．0050．440．312．010．0300．0010．001 3．3焊前准备
3．3．1焊前清理
蜗壳纵缝、凑合节环缝、蝶形边焊缝均为一类焊缝，其余管节环缝为二类焊缝，因此须在焊前将作业面进行清理，防止夹渣与未熔合等缺陷的产生。要求在焊前必须清除坡口及两侧母材表面至少25mm范围内（以离坡口边缘的距离计算）的氧化皮、油污及其他有害焊接质量的异物［1］，如果坡口出现锯齿形凹槽，应将其打磨平整。
3．3．2焊材管理
焊条的烘焙温度为300ħ 350ħ，烘焙时间为2h［2］，严格遵循随烘随用的原则，严禁反复烘焙。焊材烘焙的目的在于烘干焊材内的水分，使焊材干燥，并使得焊材温度与焊接时的温度相匹配，从而降低氢气对焊缝质量的影响。因此在领用焊材时，需要限定焊材的领取数量，并在领用后将材料放入保温桶内进行保温，以保证焊材的温度不会出现大幅下降。
3．3．3蜗壳母材预热
蜗壳环缝处于高约束状态，焊前预热能够减少环缝与相邻管节间的收缩应力，减少焊缝、焊接热影响区（HAZ）的软化，并降低焊接后的冷却速率，使焊缝中的扩散氢有更多的时间溢出，有效防止氢裂纹的产生。
对于焊缝的预热，要求采用伴随预热，即从焊接作业开始直至焊接工序完成，焊缝温度都不能低于120ħ的预热温度。预热采用电加热片进行，最大升温速度为60ħ/h，预热宽度为焊缝中心线两侧各3倍于板厚且不小于100mm范围［3］。预热温度测量工具采用红外线测温仪，而且一般在正对着焊接的工件表面进行测量。
3．3．4蜗壳定位焊
蜗壳预热完成后，为了保证蜗壳的错牙、腰线高程等安装尺寸不因打底焊时焊缝收缩而发生变化，须要在正式焊接前进行定位焊接。同时，为了使定位焊接时焊缝的收缩不会影响到蜗壳安装的尺寸，定位焊的位置必须距焊缝端部30mm以上，长度为100 150 mm，间隔为300 400mm；同时，为了保证焊缝的强度，焊接厚度要大于20mm。
3．4接头形式
焊接接头中所受应力并不是均匀分布的，这将会造成应力集中的现象，而不同接头应力集中的情况也存在着差异。白鹤滩水电站蜗壳环缝作为联系各管节的组合焊缝，蝶形边焊缝更是连接座环与蜗壳的工作焊缝，接头类型的选择就显得较为重要。焊接接头的形式多种多样，在众多接头中对接接头具有应力集中较小、焊接形式较为简单、力的传递转折较少等特点，是蜗壳焊缝接头形式的不二之选。即使如此，对接接头如果出现较大的余高和过渡处的圆弧半径较小，则应力集中程度将会增大［4］。白鹤滩水电站蜗亮对接接头中工作应力的分布如图2所示，余高、半径与应力集中系数的关系如图3所示。
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图2
对接接头应力分布示意
图3
焊缝余高、半径与应力集中系数的关系
由图2和图3可知：应力集中现象在焊缝余高及根
部尤为明显，
为了防止蜗壳焊缝因应力集中而产生裂纹，要求在完成焊缝的盖面后，焊缝表面不允许存在凹陷，而
且余高应低于1．5cm ，
单条焊缝宽度应低于2．5cm 。白鹤滩水电站蜗壳板厚较厚，采用开坡口的方式既
能方便作业时焊条的送入，
也能保证相邻管节间的环缝能够彻底焊透。为了防止焊接裂纹的产生，
需要使母材尽可能少地熔入焊缝，
以此可以降低焊缝中的含碳量。相较于对接接头中常用的“V ”形坡口，“X ”形坡口中的焊材熔覆量更低，
而且能够起到减小焊接变形的作用，是蜗壳开坡口形式的不二之选。为了方便打底焊的顺
利进行以及减少焊缝金属的含碳量，
应将坡口大小控制在50ʎ 60ʎ，
并留有0 2cm 的钝边，如图4所示。3．5焊接电参数选择3．5．1
电源类型
白鹤滩水电站左岸蜗壳所用T PHOenix11018焊
条为碱性低氢焊条，
如果采用直流正接（DCEN ），会导致电弧燃烧不稳定，
从而会产生大量飞溅，极易生成气孔。当采用直流反接（DCEP ）的电源类型时，热量集中于工件本身
［5］
。由于蜗壳板厚较大，为了增加焊缝
熔深以及防止气孔的产生，
在作业过程中，从打底层至盖面层的焊接均采用直流反接
。
图4蜗壳环缝典型焊接顺序示意
3．5．2焊接线能量
将SX780CF 试样分别在大小为15，
20，25，30kJ /cm 以及35kJ /cm 的线能量下进行焊接，焊缝力学性能检测结果如表4所列。在线能量为15 30kJ /cm 时，4组试样焊接接头的侧弯性能均检测合格；随着线能量接近
30kJ /cm 时，焊接接头的拉伸性能及冲击功能逐渐下降；当线能量超过30kJ /cm 、
到达35kJ /cm 后，试样的侧弯性能检测未能达到合格，
其焊接接头的拉伸性能及冲击功显著下降。
由表4检测结果可知：线能量过高或是过低，都将使焊缝接头的性能下降；焊接线能量控制在20 25kJ /cm 范围内时，接头的各项力学性能数据均较优，因此在进行蜗壳焊接作业时，
要求线能量的控制最好不低于20kJ /cm ，
并且最高不能超过30kJ /cm 。表4
SX 780CF 在不同焊接线能量下焊缝力学性能检测结果
试样
编号线能量/
（kJ ·cm －1）焊接接头拉伸性能焊接接头侧弯焊接接头AKv －40ħ
Ｒm /MPa Ｒel /MPa A /%D =3a ，
180ʎ焊缝中心/J 热影响区/J 11579071019．5合格11315211011619722422080373519．0合格12616313521821524732581777120．0合格14617615523723527843078569518．0合格1351551031932152335
35
756
673
17．5
不合格
112145101113175210
焊缝焊接时，母材熔化到打底层焊缝金属中的比
例是整个焊接过程中最高的，
高达30%。因此，为了降低焊缝中的含碳量，
减少焊缝接头的淬硬倾向，进行打底焊时必须使用Φ3．2的焊条。为了防止打底时熔深过深而发生灼伤蜗壳母材的情况，
还需要将电流、电压随之减小。
线能量的控制同时还影响着焊缝熔池的温度。线
能量大时，
温度同样变高，熔池流动性较好的也易于熔合，
但过大时会形成焊瘤，从而致使焊缝成型难以控0
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增刊（Ⅱ）杨航，等：白鹤滩水电站左岸蜗壳焊接工艺解析
制，而且接头的塑性会下降，易产生裂纹。线能量小
时，熔池温度随之降低，熔池流动性变差［6］，在这种情
况下易产生未焊透、未熔合以及夹渣等缺陷。为了能
够得到成型良好的焊缝，蜗壳焊接时必须按照表5的
电参数进行严格控制。
表5蜗壳焊接工艺
焊道焊接方法
填充金属焊接电参数
牌号（AWS）直径/mm电源类型电流/A电压/V
焊接速度/
（mm·min－1）
线能量/
（kJ·cm－1）
打底层SMAW T PHOenix110183．2DCEP100 12021 2450 80≤30
填充层SMAW T PHOenix110184．0DCEP140 19022 2670 120≤30
盖面层SMAW T PHOenix110184．0DCEP140 19022 2670 120≤30 3．6焊缝层间温度
焊接作业过程中须注意持续关注焊缝层间温度，将层间温度控制在120ħ 150ħ为宜。温度过高，会使焊接接头淬硬倾向增加，硬度提高的同时也降低了焊缝的塑性，蜗壳工作时会产生应力集中从而产生裂纹；温度过低，则会出现焊缝温度远远高于周围母材温度，从而加大了焊接过热区对焊接接头的危害，同样也会使得焊接接头机械性能下降。
3．7焊接顺序
蜗壳焊接采用多层、多道、分段退步焊进行焊接，每段焊缝的长度为300 400mm。蜗壳环缝典型焊接顺序如图4所示。为防止夹渣、焊瘤等缺陷的产生，每完成一道窄道焊后必须进行敲渣并对焊缝进行打磨处理；直至焊缝周围杂质全部清理完毕后，才能进行下一道窄道施焊工序。
焊缝焊接首先进行坡口较大的非过流面侧的打底焊及焊材填充，待填充量达到坡口容量的2/3以后，转而对背面坡口较小的过流面侧进行焊接。为了避免过流面焊缝根部出现未熔合及夹渣等缺陷的产生，焊接过流面前必须进行清根处理，清根处理可采用碳弧气刨的方式进行，并用磨削方式去除渗碳层，打磨厚度不小于1mm（完全露出金属光泽），可借助于放大镜确认打磨表面无缺陷，如有疑问，即用MT探伤确认。检查合格后再进行清根面的焊接，当填充完成2/3后，再继续焊接大坡口侧，交替对称地焊接直至焊接工序完成。白鹤滩水电站左岸蜗壳环缝、纵缝及蝶形边焊缝均适用上述焊接工艺。
蜗壳焊接时优先进行定位节两侧环缝的焊接，之后沿逆时针和顺时针进行蜗壳其余管节的焊接；接下来，
进行两定位节之间的蜗壳凑合节的焊接，最后进行蜗壳与压力钢管之间凑合节的焊接。
蜗壳环缝焊接顺序如图5所示。每一环缝可由8名焊工分别在Ⅰ象限、Ⅱ象限、Ⅲ象限和Ⅳ象限按照图示的焊接顺序进行焊接
。
图5蜗壳环缝焊接顺序示意
蜗壳蝶形边焊缝的焊接采用“两环一蝶”的焊接顺序，即将相邻管节环缝焊接完成后，再进行管节间蝶形边焊缝的焊接。在进行蝶形边焊接时，可配置2名电焊工进行上下对称地施焊。
3．8焊后热处理
由于SX780CF钢材对氢的敏感性及冷裂纹倾向较大，焊接后需进行消氢的后热处理。焊缝焊接完成后，利用电加热片将焊缝温度保持在250ħ 350ħ范围内并持续4h，消氢完成后使焊缝缓冷，降温速度小于60ħ/h。目的是让蜗壳焊缝的冷却速率小于常温下的冷却速率，让焊缝中的扩散氢能有更多的时间逸出，防止扩散氢在焊接接头部分聚集导致焊缝局部压力过大从而产生裂纹。同时，蜗壳工作时，焊缝将会受到巨大的拉应力，而进行消氢处理，能够改善焊接接头中的淬硬组织，提高接头的韧性。
3．9焊缝探伤
根据ASME的相关规定，对蜗壳焊缝进行无损检测探伤。对蜗壳本体焊缝，则按照ASME标准规定进行100%UT（超声波探伤）+100%MT（磁粉探伤）/PT （渗透探伤）。对蜗壳纵缝及凑合节环缝，还必须增加100%TOFD探伤检查项目。由于氢裂纹大多属于延迟裂纹，无损检测必须在焊缝消氢完成至少48h
后进行。
4工艺执行成效
对白鹤滩水电站左岸机组蜗壳的焊缝均按照上述工艺要求进行焊接作业。目前，已经完全焊接完成的1 4号、7 8号机组蜗壳的焊缝，经过水电七局无损检测人员探伤检测以及监理、业主三峡金结检测中心TOFD、UT抽检，检测结果无损检测一次合格率平均为99．57%，焊接质量最优的3号机组一次合格率高达
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99．92%。为了防止焊缝出现氢裂纹外的其他延迟性裂纹，监理方及三峡金结检测中心在机组蜗壳焊接完成2个月后再次对焊缝进行了TOFD、UT抽检，抽检结果仍与第一次抽检结果相同，无裂纹产生。
5结语
试验及分析结果表明：通过对焊前预热、焊接过程层间温度及焊接线能量控制、焊后热处理等焊接工艺的控制，克服了SX780CF钢材焊接性较差、对氢敏感存在冷裂纹倾向的难题，使得机组蜗壳焊缝冷裂纹
产生的概率大幅降低。在白鹤滩水电站左岸机组蜗壳焊接过程中，通过对这些较优焊接工艺严格控制，使机组蜗壳800MPa级低碳高强钢SX780CF在白鹤滩水电站左岸机组蜗壳焊接无损检测的一次合格率达到了99%，焊接接头成形良好，蜗壳焊缝质量得到了保障。本文成果可为同类大型水电工程中高强钢的焊接工艺的研究和实际应用提供一定的参考及借鉴。
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（编辑：赵秋云）
引用本文：杨航，朱新，游凯．白鹤滩水电站左岸蜗壳焊接工艺解析［J］．人民长江，2020，51（增2）：
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
138－142．
（上接第90页）
可靠性、灵敏度为准则，循序渐进，逐步优化，分层分序逐渐减少多余观测值数量，并及时进行精度评定，根据精度结果选择阈值指标，调整多余观测值数量，以达到最优的监测效果。
综上所述，基于多余观测分量进行优化的方法更适合应用于复杂监测网的优化；根据观测方案的平差精度结果，选择合适的Ｒi值，阶段性减少多余观测值数量，逐步优化，从而获得最优的优化结果。
4结论
本文针对变形监测网观测方案优化方法进行分析，以卡洛特水电站外观监测网观测方案为例，针对溢洪道外观监测难度大、测量效率不高、观测过程繁琐，受外界环境干扰严重的现状，本文依据观测方案优化的基本原则，在控制精度和可靠性的基础上，通过文中的监测网观测方案优化方法，对监测网网形进行由“密”到“疏”的优化，逐渐减少观测值数量，以达到优化的目的。根据实测结果，随多余观测值数量的减少，监测点精度逐渐降低，也会影响监测网的可靠性和粗差探测能力；因此，在一定范围内，多余观测值数量与监测网的精度、可靠性成正比，同时将增加数据采集工作量。在实际工程中，应综合考虑各部位监测需求，结合费用、效率等因素，制定合理的观测方案，以便平衡监测网的精度、效率、费用，同时顾及监测网的施测效率、可靠性以及监测频率，以提高测绘生产效率，为安全施工、运营提供保障。
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（编辑：刘媛）
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