轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂問題處理

洪德超

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂問題處理

洪德超

(哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040)

根據(jù)水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)盤板發(fā)生開裂的現(xiàn)象，分析了轉(zhuǎn)子中心體焊縫開裂的原因，并提出了采用加強筋板使用更加均勻的解決方案，通過實驗表明，該方案切實可行。

水輪發(fā)電機；轉(zhuǎn)子支架； 筋板開裂； 焊縫

0 引言

立式水輪發(fā)電機是由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等結(jié)構(gòu)組成。大型水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架尺寸較大，常把它分成中心體和若干支臂來制造，二者靠螺栓連接，支臂用鋼板焊接而成，斷面為工字型或封閉型，轉(zhuǎn)子中心體由輪轂、上下圓盤、立筋和合縫板組成。轉(zhuǎn)子質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整臺發(fā)電機的運行，任何一絲一毫的裂紋引起的斷裂都會給電廠帶來嚴(yán)重的損失。

1 筋板開裂現(xiàn)象

2015年12月某廠對發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體部位進行了重點檢查，發(fā)現(xiàn)如下問題

(1)在3#、4#發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)側(cè)筋板的焊縫根部檢查發(fā)現(xiàn)裂紋。發(fā)生裂紋的筋板未進行加強處理，3#機筋板為貫穿性裂紋見圖1。

圖1 3#機中心體內(nèi)側(cè)筋板裂紋

徑向長度約730mm，4#機筋板同一位置貫穿性裂紋長度約15mm。

(2) 在2#發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)側(cè)筋板與延長后加厚加強塊焊縫處發(fā)現(xiàn)兩塊焊縫存在裂紋。

2015年12月23日，技術(shù)人員對該問題進行初步分析和處理，并決定采用補焊修復(fù)的方式進行恢復(fù)處理。但補焊后經(jīng)過短時間運行后又出現(xiàn)淺表性裂紋，因此需要對該問題進行進一步的分析。

2 筋板開裂問題分析

2.1 第一次筋板開裂現(xiàn)場情況介紹

某電站3#機與4#機停機檢查時均發(fā)現(xiàn)中心體立筋焊縫出現(xiàn)開裂情況，中心體筋板布置如圖2所示。

圖2 中心體筋板布置

與4#機相比，3#機的焊縫質(zhì)量普遍較差，且起吊板與立筋的焊接方式不同，如圖3所示。

圖3 起吊板焊接形式

3#機立筋開裂在有轉(zhuǎn)子引線的1號立筋上，且斷口兩邊錯位，估計是焊接熱影響區(qū)存在殘余應(yīng)力。4#機同樣的位置也出現(xiàn)了從內(nèi)向外走向的裂紋，通過對比1號立筋180°對稱位置的立筋卻沒有裂紋，3#機起吊板與立筋之間的豎直焊縫都出現(xiàn)了裂紋，從裂紋的走向來看，裂紋擴展的方向是從上到下的。而4#機同樣的位置沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

2.2 第一次開裂原因分析

2.2.1 轉(zhuǎn)子支架載荷分析

轉(zhuǎn)子支架在運行過程中承受電磁力、重力和離心力作用，這些載荷主要由轉(zhuǎn)子支架支臂承擔(dān)，傳遞到中心體筋板的載荷很小，其應(yīng)力水平較低。額定運行時的轉(zhuǎn)子支架應(yīng)力分布如圖4所示，中心體筋板應(yīng)力大約40MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在支臂下部，最大應(yīng)力169MPa，滿足強度要求，因此，轉(zhuǎn)子支架在額定運行中，額定載荷不會對筋板產(chǎn)生破壞。

圖4 轉(zhuǎn)子支架額定工況應(yīng)力分布

對轉(zhuǎn)子支架起吊方式進行模擬分析，考慮轉(zhuǎn)子支架、磁極、磁軛重量。研究是否因為起吊導(dǎo)致筋板焊縫初始破壞。起吊圖見圖5，起吊工況最大應(yīng)力點位于中心體筋板位置，最大應(yīng)力值為284MPa。

圖5 轉(zhuǎn)子支架起吊示意圖

2.2.2 中心體筋板開裂原因分析

通過對轉(zhuǎn)子支架6塊筋板(4長，2短)模型的起吊工況計算，得到中心體筋板的應(yīng)力為284MPa，在材料的屈服極限之下，不會產(chǎn)生初始裂紋。但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)焊縫出現(xiàn)開裂，可能原因是起吊過程中，沒有足夠的螺栓預(yù)緊力，導(dǎo)致筋板受力不均勻，在起吊過程中筋板承受較高應(yīng)力，使焊縫出現(xiàn)初始裂紋。在運行過程中，隨著機組交變載荷作用，裂紋逐漸擴展。

2.3 第二次筋板開裂情況介紹

第一次筋板開裂后，廠家組織對開裂筋板進行補焊，運行一段時間后發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)擺度增大，停機后檢查發(fā)現(xiàn)焊縫位置又出現(xiàn)了淺表裂紋。

2.4 第二次筋板開裂原因分析

2.4.1 轉(zhuǎn)子支架載荷分析

通過對擺度數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)擺度數(shù)值偏大，懷疑上導(dǎo)徑向力通過轉(zhuǎn)軸對中心體圓盤產(chǎn)生附加彎矩，使中心體筋板承受交變載荷，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)疲勞裂紋。對上導(dǎo)徑向力是否會使中心體筋板產(chǎn)生疲勞進行分析。建立頂軸、中心體模型，計算在徑向力作用下中心體筋板的應(yīng)力分布。分別計算載荷施加+X和+Y兩個方向的應(yīng)力，取筋板的最大應(yīng)力進行對比，如圖6所示。

圖6 上導(dǎo)徑向力作用示意圖

對2種結(jié)構(gòu)形式應(yīng)力進行了計算，計算結(jié)果見表1，可見2種形式的筋板應(yīng)力水平都不是很高。兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值對比，模型矢量計算詳見圖7、圖8。

表1 兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值對比

圖7 6個短筋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布

圖8 原結(jié)構(gòu)4長，2短，開人孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布

通過模型計算可見，在上導(dǎo)徑向力作用下，最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心體立筋板與中心體上圓盤焊縫位置，按照極端情況考慮最大應(yīng)力僅為46MPa。但增加加強筋板能夠影響應(yīng)力分布狀態(tài)，使應(yīng)力分布更加合理。

2.4.2 中心體筋板開裂原因分析

第二次焊縫開裂原因可能為上、下圓盤的剛度偏大，而中心體立筋的剛度偏小，導(dǎo)致焊接時上下圓盤的拘束狀態(tài)過強，中心體立筋補焊以后，焊縫軸向收縮受限，產(chǎn)生了較高的軸向拘束應(yīng)力，在疊加上導(dǎo)的徑向力產(chǎn)生的附加彎矩，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)開裂。

3 筋板裂紋問題處理方案

為盡量減少轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)筋板的受力，我們采用將筋板加強的方案，要求所有焊角必須打磨成圓滑過渡，如圖9所示，其中有無起吊塊位置均以此為參考。

圖9 筋板加強方案的轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)筋板的受力情況

具體操作方法

(1)按“前期”焊接返修時采取的防護措施對操作現(xiàn)場各部件進行防護，拆卸妨礙焊接的轉(zhuǎn)子引線。

(2)確定出補強塊接觸的區(qū)域，將該區(qū)域進行打磨露出金屬光澤，經(jīng)PT探傷檢查無任何缺陷，PT探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷附錄8進行。

(3)有轉(zhuǎn)子引線的筋板與上環(huán)板焊縫端部，采用碳弧氣刨去除立面圓根焊縫，以便補強塊與筋板貼緊。氣刨后打磨去除滲碳層至露出金屬光澤，經(jīng)PT探傷檢查無任何缺陷，PT探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷附錄8進行。

(4)補強塊裝配：按設(shè)計圖紙，裝配補強塊，補強塊與筋板和上環(huán)板間隙均勻且控制“貼合越嚴(yán)密越好”，必要時通過打磨進行調(diào)整，錯口不大于1mm，垂直度不大于1mm。合格后搭焊固定。

(5)焊接前，徹底清理去除補焊區(qū)域及其20mm范圍內(nèi)的油、銹、水、油漆、探傷劑等有害雜質(zhì)。

(6)焊接順序：首先對補強塊立焊縫進行立向上焊接，每次焊一道，之后轉(zhuǎn)至下一塊，各補強塊循環(huán)交替焊接，此過程中每個補強塊兩面焊縫對稱交替焊接。直至完成所有補強塊的立焊縫。采取同樣順序焊接補強塊橫焊縫。每道橫焊縫焊接方向為由中心向外施焊。

(7)焊接方法采用氣體保護焊。

(8)焊接材料: Φ1.2mm GB ER50-6 焊絲。焊接規(guī)范見表2。

表2 焊接規(guī)范

(9)盡可能采用小規(guī)范進行焊接，焊道寬度不大于12mm。

(10)對補強塊豁口與上環(huán)板接觸區(qū)域進行立面的封焊。

(11)焊接完成后，焊縫打磨光滑，對所有焊縫進行PT探傷，探傷檢查應(yīng)在焊接完成后24h后進行，防止對延遲裂紋的漏檢。

探傷驗收標(biāo)準(zhǔn)

(1)PT探傷標(biāo)準(zhǔn)按ASME規(guī)程第Ⅷ卷附錄12及附錄8執(zhí)行。

(2)修復(fù)報告。

(3)根據(jù)修復(fù)質(zhì)量，完成探傷報告。

(4)評估修復(fù)質(zhì)量，歸檔修復(fù)材料。

筋板加強方案的轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)筋板的受力補強后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算(起吊時)見表3，從計算結(jié)果看，滿足強度要求。

表3 筋板的受力補強后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力計算

轉(zhuǎn)子加固完成后如果需要重新盤車，按下列方案進行

(1)采用機械盤車方式，將盤車工具裝于機組上。

(2)機組轉(zhuǎn)動部分應(yīng)位于機組中心，鏡板已調(diào)好水平，并使每塊推力瓦受力基本均勻。

(3)盤車用潤滑脂為無水純凈的豬油，或者專用盤車潤滑脂。

(4)調(diào)整上導(dǎo)軸瓦和水導(dǎo)瓦的單側(cè)間隙，一般為0.03～0.05mm，原則上能盤動越緊越好。

(5)在鏡板、上導(dǎo)軸承、法蘭、水導(dǎo)軸承處按逆時針方向分成八等分，各部分的對應(yīng)等分點應(yīng)在同一垂直線上，并做出標(biāo)記和X、Y座標(biāo)之標(biāo)識。

(6)在各測量部位的X、Y座標(biāo)上各裝設(shè)一塊千分表，千分表測桿應(yīng)與所測部位表面垂直。

軸線檢查調(diào)整合格后，應(yīng)復(fù)查彈性油箱受力，符合表4要求。

表4 鏡板允許的軸向擺度(端面跳動)

關(guān)于機組動平衡，因重新焊接轉(zhuǎn)子加強筋，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子配重受到影響，待機組試運行時觀察各導(dǎo)軸承擺度，如有必要廠家將提供配重塊對機組重新進行動平衡試驗。

5 結(jié)語

轉(zhuǎn)子支架的尺寸安裝精度較高，且大型或巨型機組的轉(zhuǎn)子支架，因其質(zhì)量尺寸較大，對整體剛性要求更高，且中心體圓盤的厚度與支臂的板厚相差較大，因此在焊接時往往重視如何控制焊接變形，而在焊接工藝上重視就略顯不足，轉(zhuǎn)子支架是承受力矩的轉(zhuǎn)動部件，焊縫質(zhì)量關(guān)系到機組安全運行，因此焊縫質(zhì)量必須嚴(yán)格控制。除此之外設(shè)計廠家還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)子各種工況下的應(yīng)力均布，對應(yīng)力集中點進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及調(diào)整，從而達到電站機組長期安全穩(wěn)定運行的目的。

[1] 江玉萍.水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體焊縫開裂及其處理.東方電機，2003.1.27.

[2] 李陽庚.轉(zhuǎn)子支架焊接裂紋及處理.水電六局，2000.

[3] 陳天宇.貫流式發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架裂縫的原因分析及處理.福建水力發(fā)電，2003.1.

[4] 俞增強，揭建安.水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架焊接裂紋問題的探討.焊接技術(shù)，1989(4):7-10.

[5] 陳生榮.萬家寨發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體焊接裂紋探討.電網(wǎng)與清潔能源，2002.

[6] 方源.萬家寨水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心體環(huán)形焊縫焊接.水電站機電技術(shù)，2000.

[7] 劉玉帥，許銘洋.大型汽輪發(fā)電機定子接地故障及處理方案.防爆電機，2016.5.

Cracking Treatment of Inner Stiffener Plate of Rotor Bracket Centerbody

HongDechao

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Based on cracking phenomenon occurred in inner stiffener plate of hydro-generator rotor bracket centerbody, this paper analyses the cracking reason of welding joint of rotor centerbody, and puts forward the solution which adopt stiffener plate to obtain uniform stress. The experimental result has proved that this scheme is practical and feasible.

Hydro-generator；rotor bracket；stiffener plate cracking；welding joint

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.11

TM307+.1

B

1008-7281(2017)02-0035-004

洪德超 男 1985年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電氣工程系電機專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機安裝指導(dǎo)工作.

2016-10-13