水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析及補強處理

梁衛(wèi)

(烏江渡發(fā)電廠,貴州遵義 563104)

0 引言

烏江渡水電站位于貴州烏江中游,樞紐工程于1970年開工,1971年截流,1979年下閘蓄水,同年底第1臺機組發(fā)電,1982年3臺機組全部投產(chǎn),1983年工程竣工驗收移交生產(chǎn),總裝機630MW。

隨著國家西部大開發(fā)和西電東送能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,烏江渡發(fā)電廠于2000年11月擴建2×250MW水輪發(fā)電機組。2004年8月28日首臺擴建機組投產(chǎn)發(fā)電,同年12月第2臺擴建機組投產(chǎn)發(fā)電。水輪發(fā)電機組由東方電機廠生產(chǎn)。

2003年11月至2005年6月,分別將#1廠(老廠)#1、#2、#3機組從原210MW增容改造至250 MW,2005年6月增容改造全部完成,并正式投入運行。水輪發(fā)電機組為天津阿爾斯通公司生產(chǎn)。

現(xiàn)烏江渡發(fā)電廠總裝機容量達(dá)1250MW(5×250MW),為貴州電網(wǎng)首個百萬千瓦級水電廠(站),設(shè)計年發(fā)電量40.56億kW·h。

1 增容機組改造及裂紋情況

1.1 水輪發(fā)電機組增容改造情況

烏江渡發(fā)電廠自1979年第1臺機組發(fā)電以來,機組運行已近30年,設(shè)備老化、性能落后,特別是水輪機轉(zhuǎn)輪,抗空蝕能力降低,轉(zhuǎn)輪空蝕破壞嚴(yán)重,振動加劇,維護(hù)及檢修工作量較大。由于該轉(zhuǎn)輪研制及制造的時間較早,受制于當(dāng)時的技術(shù)水平和制造能力,水輪機固定導(dǎo)葉、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪三者之間進(jìn)出口角的搭配不盡合理,限制了水輪機的效率和機組的過流能力,其技術(shù)指標(biāo)及性能參數(shù)均較落后。

因此,在2005年增容工程中對#1、#2、#3原水輪發(fā)電機組進(jìn)行部分更新改造。水輪機主要改造有:水輪機轉(zhuǎn)輪更換為15葉片常規(guī)不銹鋼轉(zhuǎn)輪,其材質(zhì)為ZG0Cr16Ni5Mo;轉(zhuǎn)輪與原水輪機軸的連接方式不變(螺栓加銷套傳動);頂蓋及底環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu),材質(zhì)采用Q235B;導(dǎo)葉采用鑄鋼20SiMn整鑄;更新導(dǎo)葉接力器,油壓等級由2.5MPa提高到4.0MPa;對原座環(huán)固定導(dǎo)葉進(jìn)行修形和對尾水管錐管段進(jìn)行局部改造加固處理;新增大軸中心補氣裝置和頂蓋減壓排水管;引水鋼管、蝸殼及水導(dǎo)軸承未更換,固定導(dǎo)葉進(jìn)行過修型等。

發(fā)電機主要改造有:更換定子機座、鐵心、線圈及空冷等;轉(zhuǎn)子更換磁極線圈、制動環(huán)、磁軛壓板,取消轉(zhuǎn)子風(fēng)扇,安裝轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)擋風(fēng)板等;轉(zhuǎn)子中心體、推力軸承、上導(dǎo)軸承未改造,勵磁方式由自并勵改為靜止可控硅勵磁方式等。增容機組和原機組主要參數(shù)對比情況見表1。

表1 水輪機主要參數(shù)對比

1.2 增容機組裂紋情況(以#1機組為例)

#1機組自2005年6月增容投產(chǎn)以來,在2007年機組小修中,通過PT和UT探傷,首次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)17條裂紋,經(jīng)補焊處理,探傷未見異常后恢復(fù)機組運行。2008年、2009年機組檢修中再次發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋,裂紋情況及發(fā)展趨勢見表2,葉片裂紋發(fā)展對比情況如圖1所示。

表2 #1機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋統(tǒng)計mm

圖1 葉片裂紋發(fā)展對比情況

圖2 轉(zhuǎn)輪上冠和葉片出水邊補強三角鐵位置示意圖

2008年5月13日,在烏江渡發(fā)電廠召開了增容機組轉(zhuǎn)輪裂紋分析處理專題會,經(jīng)與會專家討論、分析認(rèn)為:增容機組轉(zhuǎn)輪在運行過程中,轉(zhuǎn)輪葉片高應(yīng)力區(qū)在動應(yīng)力作用下出現(xiàn)疲勞破壞而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。同時,對疲勞破壞的原因進(jìn)行了分析,并提出了具體建議。

(1)進(jìn)行水輪機噪聲頻率測量,判斷轉(zhuǎn)輪是否存在卡門渦共振。如果存在卡門渦共振,由天津阿爾斯通公司提供轉(zhuǎn)輪葉片出水邊修型方案。2008年汛期,由貴州電力試驗研究院進(jìn)行水輪機噪聲頻率測量,但對數(shù)據(jù)分析后,不能準(zhǔn)確判定是否為卡門渦共振。

(2)在葉片上冠出水邊焊接“三角鐵”,以降低葉片出水邊的靜、動應(yīng)力,補強方案由天津阿爾斯通公司提供。2009年4月在機組檢修中,對#1機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋進(jìn)行處理后,對15片葉片上冠出水邊進(jìn)行三角鐵補強處理。

2 轉(zhuǎn)輪葉片三角鐵補強焊接工藝要求

(1)組裝焊接前,先對三角鐵坡口區(qū)域與轉(zhuǎn)輪上冠和葉片待裝配區(qū)域打磨坡口并進(jìn)行PT檢查,合格后進(jìn)行組裝(圖2為轉(zhuǎn)輪上冠和葉片出水邊補強三角鐵位置示意圖,單位為mm)。

(2)補強三角鐵為ZG0Cr16Ni5Mo不銹鋼板,厚度約35mm。在葉片出水邊打磨坡口30°;上冠打磨坡口為45°(圖3為補強三角鐵及坡口示意圖,單位為mm)。

(3)在轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)正X/Y方向及45°方向各架設(shè)8塊百分表,以觀察焊接時轉(zhuǎn)輪的變形情況(實際焊接中,百分表顯示為0.12mm)。

(4)對所有要焊部位及周邊50mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污、水分及保護(hù)性油漆進(jìn)行清除,直至露出金屬光澤。

(5)焊接要求。

1)焊接前需根據(jù)工藝要求在焊縫旁標(biāo)示出分段退焊順序編號以及方向,焊材為?3.2mm、?4.0 mmG367M焊條,使用前將焊條進(jìn)行烘干,放置保溫筒內(nèi)隨用隨取。

2)焊接前,使用60kW自動加熱箱加熱片對焊接區(qū)域(兩側(cè)各大于100mm范圍)進(jìn)行局部預(yù)熱,預(yù)熱溫度為80～175℃。

3)焊接過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制層間溫度≤150℃,焊接操作宜連續(xù)完成,若中途停焊必須采取保溫措施,恢復(fù)施焊時應(yīng)達(dá)到預(yù)熱溫度要求。焊接完成后立即進(jìn)行后熱處理,后熱溫度保持150℃,后熱時間為2h。

4)多層多道焊時,每層接頭之間必須錯開30～50mm。

5)每焊1道,清渣1次并做檢查,如發(fā)現(xiàn)缺陷及時清除、修補再做檢查,不允許帶缺陷進(jìn)行下一步操作。

圖3 補強三角鐵及坡口示意圖

6)除打底和蓋面外,其余每焊一層都要用風(fēng)把進(jìn)行錘擊振動消應(yīng)處理。

7)焊后清除臨時工藝支撐后,應(yīng)對該處修磨并做PT檢查,合格后,使用砂輪修磨焊縫,使之達(dá)到設(shè)計要求的形狀。對補強三角鐵焊接部位及三角鐵與上冠過渡圓角進(jìn)行打磨修型,過渡圓角半徑為30～70mm。

(6)打磨修型完成后進(jìn)行UT、PT探傷,合格后,轉(zhuǎn)輪補強工作結(jié)束。

3 機組動平衡測試試驗

為了掌握機組補強前后,機組運行的振動和擺度情況,在2009年4月30日,對補強后的機組進(jìn)行了動平衡試驗,與未補強時相同水位下的測試數(shù)據(jù)、曲線進(jìn)行了比較分析。

(1)機組帶負(fù)荷試驗時,發(fā)現(xiàn)機組振動明顯增大出現(xiàn)在140～180MW,說明補強前后機組振動區(qū)域未發(fā)生明顯變化,#1機組轉(zhuǎn)輪補強前后振擺試驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 #1機組轉(zhuǎn)輪補強前后振擺試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

(2)從補強后機組運行的振動圖形可以看出,機組在190MW以后,存在振動小幅增大趨勢,由于試驗時受當(dāng)時系統(tǒng)#0B穿越功率影響,機組未帶至最高負(fù)荷,該負(fù)荷段振動情況待試驗需做全后評估。

試驗儀器為TTS216系統(tǒng)振動、擺度試驗儀,試驗庫水位▽s=753m,▽x=628.5m;奇數(shù)行數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)輪補強前數(shù)據(jù),試驗庫水位▽s=754m,▽x=627.6m(2007年7月)。

4 需完善的工作

(1)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋補強處理后,應(yīng)通過現(xiàn)有機組在線振擺裝置,實測完成機組振動區(qū)數(shù)據(jù),為烏江渡發(fā)電廠AGC振動區(qū)優(yōu)化以及中調(diào)AGC系統(tǒng)升級配合,達(dá)到優(yōu)化機組運行工況,避開機組振動區(qū)運行,具有現(xiàn)實意義。

(2)完善機組在線振擺裝置高級功能,提供機組運行工況分析報告,為轉(zhuǎn)輪葉片裂紋形成進(jìn)行較為深入的分析研究。

(3)經(jīng)過轉(zhuǎn)輪葉片的補強,機組通過汛期運行,為下次檢修時分析轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的成因和進(jìn)行處理提供可操作性的依據(jù)。

5 結(jié)束語

烏江渡發(fā)電廠#1機組轉(zhuǎn)輪葉片的補強處理,為同類型機組同類或者相似情況的處理積累了一定的經(jīng)驗,對進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的成因和進(jìn)行處理,徹底消除轉(zhuǎn)輪葉片裂紋有重要意義。