紅旗水電站貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋分析及處理

李 進(jìn) 博， 易 吉 軍

(四川嘉陵江蒼溪航電開發(fā)有限公司，四川 廣元 628400)

紅旗水電站貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋分析及處理

李 進(jìn) 博， 易 吉 軍

(四川嘉陵江蒼溪航電開發(fā)有限公司，四川 廣元 628400)

通過介紹紅旗水電站貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室合縫板角焊縫處裂紋產(chǎn)生的原因和采取的處理方法，為貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室合縫板角焊縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝處理提供了一定的參考。

貫流式機(jī)組；轉(zhuǎn)輪室；裂紋；應(yīng)力集中；紅旗水電站

1 概 述

紅旗水電站位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江廣元至重慶段梯級開發(fā)的第三級。電站裝有3臺單機(jī)容量22MW的三葉片燈泡貫流式機(jī)組，年設(shè)計發(fā)電量2.66億kW·h。機(jī)組的額定水頭為6.1m，轉(zhuǎn)輪直徑7.2m，轉(zhuǎn)輪室為全馬氏體不銹鋼，采用鋼板模壓結(jié)構(gòu)，分上下兩瓣，結(jié)合面采用法蘭連接。

2016年1月，運(yùn)行人員在檢查2#機(jī)組伸縮節(jié)漏水問題時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室靠尾水管側(cè)上下半部合縫板角焊縫處有沿圓周方向的貫穿性裂紋。經(jīng)對另外2臺機(jī)組轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行全面的檢查和探傷，發(fā)現(xiàn)在同樣的位置均有不同程度的裂紋存在。其中1#機(jī)組裂紋總長度為625mm, 最大裂紋深度為43mm；2#機(jī)組裂紋總長度為230mm，約有30mm裂紋為貫穿性裂紋；3#機(jī)組裂紋總長度為330mm，約有230mm裂紋為貫穿性裂紋(圖1)。

圖1 轉(zhuǎn)輪室合縫板角焊縫處裂紋圖

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 結(jié)構(gòu)工藝方面

對比同一廠家在嘉陵江下游鳳儀水電站燈泡貫流式機(jī)組合縫板角焊縫處的結(jié)構(gòu)(圖2)可以看出：紅旗水電站機(jī)組合縫板角焊縫處收縮比較劇烈；而鳳儀水電站合縫板角焊縫處收縮比較平緩，轉(zhuǎn)輪室合縫板到伸縮節(jié)之間有一個過渡段，且其為分段施焊，有利于應(yīng)力消除。另外，廠家圖紙要求合縫板角焊縫處的焊縫寬度應(yīng)為20mm，而現(xiàn)場實(shí)際的焊縫寬度僅有5mm。經(jīng)對材料疲勞應(yīng)力進(jìn)行計算得知：轉(zhuǎn)輪室材料的永久疲勞應(yīng)力幅為50MPa。當(dāng)合縫板角焊縫寬度為20mm時，最大應(yīng)力為56.5MPa，應(yīng)力幅為28.3MPa，能夠滿足疲勞設(shè)計要求；而當(dāng)合縫板角焊縫寬度為5mm時，最大應(yīng)力為128.3MPa，應(yīng)力幅為64.2MPa，無法滿足疲勞設(shè)計要求，易造成焊縫開裂。

圖2 紅旗與鳳儀水電站合縫板角焊縫結(jié)構(gòu)對比圖

2.2 運(yùn)行方面

振動偏大是燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的普遍現(xiàn)象[1]，也是容易引起轉(zhuǎn)輪室裂紋的因素之一。對此，我們調(diào)取了1#機(jī)組在5MW、10MW、15MW、20MW、22MW等5個工況下轉(zhuǎn)輪室的振動數(shù)值。經(jīng)對比得知：轉(zhuǎn)輪室各工況振動數(shù)值均在廠家給定的振動幅值范圍(0.2～0.5mm)內(nèi)，但與下游鳳儀水電站的振動數(shù)據(jù)相比，其振動數(shù)值平均大0.1～0.2mm。

綜上所述，我們認(rèn)為：3臺機(jī)組產(chǎn)生裂紋的根本原因是角焊縫處結(jié)構(gòu)收縮過渡不夠以及焊縫未嚴(yán)格按工藝要求施焊所致。而機(jī)組運(yùn)行中的交變應(yīng)力和振動作用只是在一定程度上加速了裂紋產(chǎn)生，為次要原因。

3 裂紋的處理

因裂紋處理工期等問題，在綜合評估的基礎(chǔ)上，先期采用了在跨裂紋中心焊接臨時補(bǔ)強(qiáng)筋板的方法以保證裂紋不再發(fā)生擴(kuò)展，具體方法為：

(1)先用砂輪機(jī)磨除尾部裂紋，從裂紋終止端向裂紋發(fā)生端磨除深度5～15mm并磨出U型焊接坡口，裂紋清除干凈后進(jìn)行修補(bǔ)焊接。

(2)沿裂紋走向?qū)⒀a(bǔ)強(qiáng)板點(diǎn)焊在裂紋兩側(cè)，然后將厚度為20mm、材質(zhì)為Q235的加強(qiáng)筋板焊接到補(bǔ)強(qiáng)板，起到加固拉緊作用，然后將楔子板打入加強(qiáng)筋板中心孔內(nèi)以增加加強(qiáng)筋板的拉緊作用。將加強(qiáng)筋板的間距控制在150～200mm，且在尾部裂紋后100mm處需多增加一塊加強(qiáng)筋板。

(3)在上下半部合縫板角焊縫處分別焊接一塊三角加強(qiáng)筋板，將合縫板與轉(zhuǎn)輪室母材連接到一起，起結(jié)構(gòu)過渡和消除應(yīng)力的作用(圖3)。

圖3 角焊縫臨時加固處理示意圖

在機(jī)組檢修時，采用轉(zhuǎn)輪室內(nèi)外施焊的方法徹底消除裂紋，具體方法為：

(1)考慮到裂紋焊接處理過程中可能會使轉(zhuǎn)輪室合縫板密封槽產(chǎn)生一定的變形，故先在不拆吊轉(zhuǎn)輪室的狀態(tài)下處理非合縫板處的殼體裂紋。

(2)殼體裂紋處理前，割除臨時處理時合縫板角焊縫處的三角加強(qiáng)筋板，按原設(shè)計圖紙工藝要求焊寬度為20mm的角焊縫，并在兩側(cè)磨出R10的圓角后，再加焊一塊長50mm、寬30mm的補(bǔ)強(qiáng)板條，連接合縫板和轉(zhuǎn)輪室殼體，進(jìn)行結(jié)構(gòu)過渡。

(3)對于殼體裂紋，從內(nèi)外兩側(cè)清除裂紋和臨時處理的補(bǔ)焊，對內(nèi)腔裂紋磨出25～30mm的坡口，由內(nèi)腔開始施焊，再從外側(cè)清根焊透。

(4)對于合縫板處的裂紋，先拆開上部轉(zhuǎn)輪室，進(jìn)行合縫位置的裂紋清除和補(bǔ)焊處理，然后對合縫面和密封槽進(jìn)行修模處理及裝配。

目前，電廠在完成3臺機(jī)組裂紋臨時加固處理的基礎(chǔ)上，已完成了對1#、2#機(jī)組裂紋的永久處理。運(yùn)行觀察結(jié)果表明：3臺機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)新的裂紋。

4 結(jié) 語

燈泡貫流式機(jī)組作為當(dāng)前開發(fā)低水頭資源的經(jīng)濟(jì)適用性機(jī)型，已在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。但因其為臥式布置，承受交變應(yīng)力，同時轉(zhuǎn)動慣量小，Tw/Ta值相應(yīng)較大，水力振動對其影響亦較大[2]，如在結(jié)構(gòu)和工藝上稍有欠缺，很容易造成轉(zhuǎn)輪室金屬構(gòu)件產(chǎn)生裂紋，影響其正常安全運(yùn)行，實(shí)為設(shè)計、制造人員必須考慮和注意的問題。

[1] 田海平，周 樂，馬廷武，張貴松.燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)安全研究[J].水力發(fā)電學(xué)報，2012，31(4)：227-231

[2] 梁湘津.洪江水電廠貫流式機(jī)組金屬結(jié)構(gòu)問題探討[C].北京:第一屆水力發(fā)電技術(shù)國際會議論文集(第二卷)，2006．

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-09-09

TV7;TV734;TV

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1001-2184(2017)01-0108-02

李進(jìn)博(1982-)，男，甘肅景泰人，副總經(jīng)理，工程師，碩士，從事水電廠生產(chǎn)經(jīng)營與管理工作；

易吉軍(1983-)，男，四川營山人，工程師，從事水電廠生產(chǎn)運(yùn)行工作.