燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)輪室裂紋原因分析與處理

柳 超， 方 仲 超

(寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

1 概 況

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市境內(nèi)的白龍江干流上，是嘉陵江支流——白龍江干流梯級開發(fā)規(guī)劃中的最后一級。電站安裝3臺單機容量34 MW的燈泡貫流式機組，總裝機容量102 MW,年發(fā)電量4.41億kWh。電站水輪機型號為GZ(836)-WP-535，由東方電機有限公司生產(chǎn)，機組額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min,額定水頭15.4 m。

該轉(zhuǎn)輪室由上、下兩瓣組成，通過法蘭上下連接，轉(zhuǎn)輪室母材為普通碳鋼Q235，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部最小直徑為5 350 mm，轉(zhuǎn)輪室長度為2 582 mm，總重量為26 t。轉(zhuǎn)輪室上游側(cè)通過法蘭螺栓與外配水環(huán)連接，下游側(cè)嵌入補償節(jié)內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室加強結(jié)構(gòu)由3條環(huán)筋板和3條立筋板焊接而成，對整個轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行箍式結(jié)構(gòu)加固，環(huán)筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,轉(zhuǎn)輪室本體母材鋼板厚度為40 mm。轉(zhuǎn)輪槳葉與轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計間隙3.5～3.9 mm。

2 機組問題

紫蘭壩電站3臺機組于2006年全部投產(chǎn)使用，2016～2017年間，由于3臺機組轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)嚴(yán)重氣蝕，均對其進(jìn)行返廠處理。2018年12月，檢修人員發(fā)現(xiàn)1F機組轉(zhuǎn)輪室有漏水現(xiàn)象，隨即停機對轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，1F機組轉(zhuǎn)輪室右岸加強環(huán)筋板連著立筋板發(fā)生1處斷裂，裂口長度均為200 mm；筋板斷裂致使轉(zhuǎn)輪室本體母材也發(fā)生貫穿性裂縫，裂縫長度為400 mm，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部流道內(nèi)的水從裂縫中流出，造成轉(zhuǎn)輪室漏水發(fā)生，其中圖1為轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋現(xiàn)場PT探傷顯示的裂紋實例圖。

圖1 轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋部位及長度

3 原因分析

3.1 轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計原因

紫蘭壩電站貫流式機組水輪機轉(zhuǎn)輪室由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其上端側(cè)通過法蘭與外配水環(huán)固定相連，下端側(cè)嵌入補償節(jié)內(nèi)，但又與補償節(jié)之間存在一定間隙，用以安裝伸縮節(jié)密封條，其結(jié)構(gòu)類似懸臂梁式布置。那么，在機組運行中，由于機組振動，離上端固定支撐點越遠(yuǎn)其振幅越大，對轉(zhuǎn)輪室破壞就越大。因此，對貫流式機組來說，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)對強度要求很高，強度過低，轉(zhuǎn)輪室極易產(chǎn)生裂紋。

同時，在重量方面，紫蘭壩電站水輪機轉(zhuǎn)輪室總重量為26 t，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部最小直徑為5 350 mm，轉(zhuǎn)輪室長度為2 582 mm，比其他電站同類型同尺寸的燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)輪室重量要輕許多，主要原因是紫蘭壩電站轉(zhuǎn)輪室40 mm的厚度比其他機組薄。而且，也有轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面流線設(shè)計欠缺、運行工況較差等因素，使機組轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面極易產(chǎn)生氣蝕，造成轉(zhuǎn)輪室本體厚度減薄，影響轉(zhuǎn)輪室的強度，產(chǎn)生裂紋。

3.2 轉(zhuǎn)輪室材質(zhì)原因

紫蘭壩電站水輪機轉(zhuǎn)輪室母材和加固筋板為普通碳鋼Q235材質(zhì)，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，為異種鋼材焊接結(jié)構(gòu)。整個轉(zhuǎn)輪室是通過焊接方式將普通碳鋼和不銹鋼拼接起來，兩種鋼材的成分和組織結(jié)構(gòu)不同，其機械性能和物理性能差異也很大，將其焊接在一起會出現(xiàn)可焊性差、難以融合、焊接殘余應(yīng)力難以釋放、焊接接頭發(fā)韌性低、焊接質(zhì)量較差、而有夾雜氣孔等問題，故而造成轉(zhuǎn)輪室不銹鋼母材與筋板之間的焊縫開裂。

3.3 機組振動原因

機組在運行過程中，由于卡門漩渦、狹縫射流、尾水管壓力脈動、導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等因素造成水力振動，是造成機組轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋的重要因素之一。通過查找紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室之前振動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在水平方向振動最大值為282.1 μm，垂直方向振動最大值為2 183.7 μm，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紫蘭壩電站轉(zhuǎn)輪室振動不大于85 μm的設(shè)計要求；同時，用分貝儀測定轉(zhuǎn)輪室處機組振動噪音值為100.3 dB,也大于不超過85 dB的設(shè)計要求，嚴(yán)重超標(biāo)。

3.4 轉(zhuǎn)輪室筋板切割、打孔以及焊接，降低轉(zhuǎn)輪室筋板的強度

由2016年1F機組轉(zhuǎn)輪室氣蝕返廠處理檢修記錄得知：2016年，在對1F機組轉(zhuǎn)輪室回裝時為保證轉(zhuǎn)輪室與輪葉間隙的合格，對轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行調(diào)整，重新鉆定位銷孔。在鉆定位銷孔時，由于轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋板限制，鉆定位銷孔所使用的磁座鉆不能安裝到位，隨即對轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋板切割出一個80 mm×230 mm的方形缺口(共切割6處)，保證了磁座鉆安裝到位。定位銷孔絞鉆完成后，6個切割下來的鋼板被焊回原位置，由于在焊接切割板時沒有對切割面進(jìn)行磨光處理留下不平整的切割溝槽，焊材也沒有加工坡口，同時焊接工藝也存在很大問題，只采取了一面焊接，導(dǎo)致焊縫存在裂紋、夾渣、未焊透、未熔合等嚴(yán)重的缺陷，使轉(zhuǎn)輪室筋板的強度大為降低。在機組振動的作用下，致使加固筋板焊接處的焊接缺陷逐步放大，最終顯現(xiàn)出焊縫開裂，一直沿著切割溝槽繼續(xù)擴展至加固筋板本體，使加固環(huán)筋板和立筋板受到嚴(yán)重影響，最后裂紋一直延伸至轉(zhuǎn)輪室本體，造成轉(zhuǎn)輪室本體貫穿性開裂，給機組安全運行帶來很大的隱患。

4 裂紋處理

根據(jù)產(chǎn)生裂紋的原因分析結(jié)果，1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋使用現(xiàn)場焊接方式進(jìn)行處理，嚴(yán)格按照施工方案及工藝執(zhí)行，處理過程包括：

(1)進(jìn)一步確認(rèn)裂紋的長度、深度等參數(shù)，為裂紋的完全處理奠定基礎(chǔ)；

(2)對轉(zhuǎn)輪室本體焊接裂紋和筋板焊接裂紋進(jìn)行處理；

(3)焊接之后對焊縫磨平、探傷確認(rèn)。

4.1 焊前探傷確認(rèn)

分別用超聲波檢測(UT)和滲透檢測(PT)分別對轉(zhuǎn)輪室加固筋板、轉(zhuǎn)輪室本體裂縫位置進(jìn)行檢測，探明裂縫的走向、具體長度、終點位置，并予以標(biāo)注。同時，對其它5處被切割過的環(huán)形筋板位置也進(jìn)行探傷，發(fā)現(xiàn)其它5處被切割過的環(huán)形筋板焊縫均存在裂紋、夾渣、未熔合等各種焊接缺陷。

4.2 裂紋處理

轉(zhuǎn)輪室本體和加固筋板均有裂紋出現(xiàn)，需要分別對轉(zhuǎn)輪室本體和加固筋板進(jìn)行焊接處理，待轉(zhuǎn)輪室本體焊接處理檢測合格后，再將轉(zhuǎn)輪室與筋板焊接為一體。按工藝要求：貫穿性裂紋清理，須用碳弧氣刨清理一面至2/3深度并形成焊接坡口，再打磨坡口表面，按工藝要求并預(yù)熱后封焊至1/2-2/3板厚度。之后，進(jìn)行背面清根，清根后目測缺陷是否完全清除(如判斷不準(zhǔn)可進(jìn)行PT探傷確認(rèn))。由于轉(zhuǎn)輪室本體厚度為40 mm，厚度較厚且為貫穿性裂紋，按照焊接工藝需要從內(nèi)外兩側(cè)分別對轉(zhuǎn)輪室本體裂紋進(jìn)行處理。

4.2.1 焊前準(zhǔn)備

4.2.1.1 焊接工具準(zhǔn)備

直流電焊機(630 A)1臺、碳弧氣泡機1臺、焊條保溫桶1套、手持式啟動砂輪機1把、氧乙炔火焰加熱設(shè)備1套、遠(yuǎn)紅外測溫槍1套、焊條烘干箱1臺、焊接材料(φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E309L焊條；φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E7015焊條)、打渣器1套等。

4.2.1.2 裂紋處理準(zhǔn)備

將裂紋周圍100 mm范圍內(nèi)的油漆、鐵銹、油污、氧化層等打磨干凈，漏出金屬表面；根據(jù)探傷標(biāo)明的裂紋兩端點位置，在裂紋兩端點的延長線10～20 mm處進(jìn)行鉆孔處理，防止在用碳弧氣刨刨開裂紋和焊接過程中裂紋繼續(xù)擴散延伸；碳弧氣刨和焊接時，應(yīng)對焊縫及相鄰區(qū)域500 mm區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，防止飛濺；按要求用焊條烘干箱對焊條進(jìn)行烘烤。

4.2.2 焊接工藝規(guī)范

焊接電流、電壓的選擇與焊條直徑關(guān)系見表1。

表1 焊接材料與焊接電流參數(shù)

焊前預(yù)熱，用火焰加熱法對待焊區(qū)域及附近50 mm范圍內(nèi)預(yù)熱，溫度≥80 ℃。

4.2.3 轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理

用碳弧氣刨刨開轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)裂紋，刨開深度約為轉(zhuǎn)輪室本體厚度的2/3(約25～30 mm)，刨開寬度至容易施焊的位置。用手持式風(fēng)動砂輪機清理打磨，除去焊口內(nèi)氧化皮、鐵削等有損焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，檢測刨開面有無無裂紋，檢查坡口是否符合要求。

焊前，還需用火焰對轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部待焊區(qū)域及附近50 mm范圍內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，溫度為80 ℃。焊接時，采用手工電弧焊進(jìn)行多層、多道焊接。除打底層和蓋面層以外，對其余各層焊肉進(jìn)行充分錘擊以消除焊接應(yīng)力。為了盡可能減少焊接缺陷的出現(xiàn)，焊接使用的焊條要按要求在烘烤箱內(nèi)進(jìn)行烘烤，并放在保溫桶內(nèi)避免受潮。

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)裂紋焊接完畢，用碳弧氣刨刨開轉(zhuǎn)輪室外側(cè)裂紋，深度至裂紋全部刨除，且至內(nèi)部焊肉漏出為止。裂紋刨除后，用手持式風(fēng)動砂輪機清理打磨，除去焊口內(nèi)氧化皮、鐵削等。然后，對刨開位置及周圍進(jìn)行PT探傷處理，檢測是否還有殘留隱藏的裂紋未被刨除。探傷后進(jìn)行焊接處理，焊接方法與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)焊接相同。焊接過程隨時監(jiān)測轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙，表2為焊接前后轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙測量值。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，僅離焊接位置較近的1、2號槳葉(見圖2)與轉(zhuǎn)輪室間間隙有微小變化，最大變化值為0.15 mm,3、4號槳葉與轉(zhuǎn)輪室間間隙沒變化。

表2 焊接前、后轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙測量值

轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理完畢，對焊縫進(jìn)行打磨處理，保證表面粗糙度達(dá)到圖紙設(shè)計要求，然后對轉(zhuǎn)輪室本體修復(fù)區(qū)域按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%PT探傷和100%UT探傷檢測，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪室本體裂紋完全修復(fù)。

4.2.4 環(huán)筋板和立筋板斷裂位置處理

環(huán)筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,板材較厚且為貫穿性裂紋，亦采用雙面刨開焊接的方法。焊接方法與轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理方法相同。

4.2.5 筋板與轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接處理

筋板為普通碳鋼Q235材質(zhì)，筋板與轉(zhuǎn)輪室連接位置為轉(zhuǎn)輪室過渡段不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，嚴(yán)格按照異種鋼材焊接工藝要求，將筋板與轉(zhuǎn)輪室焊接。焊接方法同轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理(圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接處理后

4.2.6 溝槽和缺口的切割面磨平處理

將其它5處回焊但存在焊接缺陷的位置重新刨開，對切割位置進(jìn)行打磨處理，將原來切割存在溝槽和缺口的切割面磨平處理，避免在尖銳和溝槽處出現(xiàn)焊接應(yīng)力集中等焊接缺陷。施焊時采取雙面焊接方法，保證焊接質(zhì)量，增強了轉(zhuǎn)輪室加固筋板的強度。

4.3 焊接后檢測

焊接完成后對焊縫表面進(jìn)行打磨，保證表面粗糙度達(dá)到圖紙要求后進(jìn)行探傷檢查。首先對修復(fù)區(qū)域進(jìn)行外觀檢查(目檢)合格后，再對修復(fù)區(qū)域按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%PT探傷和100%UT探傷，探傷結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪室本體及加固筋板裂紋已消除，焊縫檢測無焊接缺陷。

4.4 處理效果

1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋經(jīng)過處理后，在各種工況下運行時，轉(zhuǎn)輪室本體及加固筋板無裂紋產(chǎn)生，各焊縫均無開裂，運行狀況良好。

5 結(jié) 語

轉(zhuǎn)輪室是燈泡貫流式機組重要的過流部件，是轉(zhuǎn)輪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要場所。機組運行過程中由于過流造成的卡門渦帶、狹縫射流、壓力脈動等不利因素，貫流式機組轉(zhuǎn)輪室容易出現(xiàn)汽蝕與裂紋等質(zhì)量缺陷。從紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生得到啟示，在機組轉(zhuǎn)輪室裂紋處理過程中，后續(xù)工作中要重點要加強轉(zhuǎn)輪室各方面狀況的監(jiān)視和檢查，及時了解和掌握轉(zhuǎn)輪室的各項參數(shù)、指標(biāo)，讓轉(zhuǎn)輪室時刻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時，針對紫蘭壩電站3臺機組轉(zhuǎn)輪室振動偏大問題，要及時開展專題研討進(jìn)行分析、試驗，找準(zhǔn)問題的根源，給出經(jīng)濟、可行的解決方案，以提早解決轉(zhuǎn)輪室振動偏大的問題，保證機組的安全穩(wěn)定運行。紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋成功的處理方法，為解決其他機組發(fā)生類似問題提供了借鑒和參考。