燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋原因分析與處理

彭建平

（四川嘉陵江新政航電開發(fā)有限公司，四川 儀隴 637600）

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是當(dāng)前一種常見反擊式水輪發(fā)電機(jī)組，廣泛應(yīng)用于低水頭大流量的水電站。機(jī)組屬于臥軸結(jié)構(gòu)，引水部件、轉(zhuǎn)輪、排水部件都在一條軸線上，水流平直通過轉(zhuǎn)輪葉片的臥軸、軸流式水輪機(jī)。燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)電機(jī)組安裝在密封的、外形酷似燈泡的殼體中，水輪機(jī)安裝在燈泡的插口處，因此稱這種機(jī)組為燈泡貫流式機(jī)組。這種機(jī)組發(fā)電機(jī)主軸與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水平連接。水流基本上軸向通過流道，軸對稱流過轉(zhuǎn)輪葉片，然后流出直錐形尾水管。機(jī)組的軸系支承結(jié)構(gòu)、導(dǎo)軸承、推力軸承都布置在燈泡體內(nèi)。由于燈泡貫流式機(jī)組適用水頭范圍廣，效率高，較其他類型貫流式機(jī)組有突出的優(yōu)點(diǎn)，因而在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

一、燈泡貫流式機(jī)組發(fā)電廠房的特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r

國內(nèi)低水頭水力資源十分豐富,尤其是華東、中南等沿海地區(qū)。燈泡貫流式機(jī)組水電站是開發(fā)低水頭水力資源較好的方式,一般應(yīng)用于25m水頭以下,它與中高水頭水電站、低水頭立軸軸流式水電站相比,具有如下顯著的特點(diǎn):(1)機(jī)組從進(jìn)水到出水水流方向基本上是軸向貫通,過流通道形狀簡單、水力損失少、施工方便。(2)燈泡貫流式水輪機(jī)具有較高的過流能力和較大的比轉(zhuǎn)速,所以在水頭和功率相同的條件下,燈泡貫流式水輪機(jī)直徑要比轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)直徑小10%左右。(3)燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊,與同一規(guī)格的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組相比其尺寸較小,故可布置在壩體內(nèi),取消了復(fù)雜的引水系統(tǒng),減少了廠房的建筑面積以及電站的開挖量和混凝土量。根據(jù)有關(guān)資料分析,燈泡貫流式機(jī)組發(fā)電廠房的土建費(fèi)用可以節(jié)省20%～30%。近年來,作者所在的公司先后修建了多個(gè)閘壩類型的水電站,如武勝的秀觀水電站、南充的小龍門、鳳儀水電站、閬中的金銀臺(tái)、沙溪水電站、金溪的水電站、儀隴新政水電站等。以上水電站均采用了燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組,其中最大的燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組為金銀臺(tái)水電站,單機(jī)容量為40MW。

二、燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋原因分析

（一）轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因

新政電站貫流式機(jī)組水輪機(jī)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(bǔ)償節(jié)內(nèi)，但又與補(bǔ)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(jī)組運(yùn)行中，由于機(jī)組振動(dòng)，離上端固定支撐點(diǎn)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(jī)組來說，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度要求很高；強(qiáng)度過低，轉(zhuǎn)輪室極易產(chǎn)生裂紋。同時(shí)，在重量方面，新政電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室總重量為27t，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部最小直徑為6142mm，轉(zhuǎn)輪室長度為3000mm，比其他電站同類型同尺寸的燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室重量要輕許多，主要原因是新政電站轉(zhuǎn)輪室40mm的厚度比其他機(jī)組薄。而且，也有轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面流線設(shè)計(jì)欠缺、運(yùn)行工況較差等因素，使機(jī)組轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面極易產(chǎn)生氣蝕，修復(fù)打磨造成轉(zhuǎn)輪室本體厚度減薄，影響轉(zhuǎn)輪室的強(qiáng)度，產(chǎn)生裂紋。

（二）裂紋產(chǎn)生原因分析：

1.轉(zhuǎn)輪室安裝結(jié)構(gòu)類似懸臂梁式布置，加之轉(zhuǎn)輪室本體厚度偏薄，機(jī)組運(yùn)行時(shí)離上端固定支撐點(diǎn)越遠(yuǎn)其振幅越大，對轉(zhuǎn)輪室破壞就越大，容易產(chǎn)生裂紋。

2.焊縫質(zhì)量可能局部存在缺陷，在機(jī)組振動(dòng)使得對接焊縫區(qū)域反復(fù)受力，因疲勞導(dǎo)致缺陷擴(kuò)展，產(chǎn)生裂紋。

3.焊縫相對集中，在“T”字焊縫接頭處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，不能很好釋放因振動(dòng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力及焊后的殘余應(yīng)力，在焊縫應(yīng)力集中處誘發(fā)裂紋。

三、裂紋處理

根據(jù)產(chǎn)生裂紋的原因分析結(jié)果，3f機(jī)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)。

（一）對肉眼能觀察出裂紋的焊縫區(qū)域及附近500mm區(qū)域所有縱向和橫向焊縫按ASME進(jìn)行100%UT探傷，確定焊縫的裂紋的長度和深度并進(jìn)行標(biāo)識，確保所有焊縫缺陷能全部檢測到，防止遺漏。

（二）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。

（三）探傷前需做好清理表面油漆及打磨探傷面的工作，探傷打磨區(qū)域由探傷人員指定；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。由于轉(zhuǎn)輪室本體厚度為40mm，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。

（四）為防止碳弧氣刨清理時(shí)裂紋延長，在遠(yuǎn)離裂紋源30mm處打止裂孔，止裂孔可由鉆頭或碳弧氣刨槍進(jìn)行，止裂孔大小為φ20，共4處，其示意圖如下：

（五）采用電加熱器或采用火焰方式，對開裂處焊縫及周圍100mm區(qū)域預(yù)熱至50℃，用碳精棒將其缺陷清理干凈（清理方向：從兩端裂紋源往中間清理），然后采用砂輪機(jī)打磨方式，將滲碳層干凈，對未清穿透的焊縫，清理后按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PT探傷，檢查裂紋是否清理干凈。

（六）為控制焊接變形，將開裂處或缺陷焊縫（包括探傷檢查出的裂縫擴(kuò)展區(qū)）處的坡口形式處理成 “X”型，角度為50°。用碳弧氣刨槍清理焊縫外側(cè)，深度為板厚的2/3，并焊接約20mm深，從內(nèi)側(cè)清根，清理后按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PT探傷（溫度降至室溫作PT）,確認(rèn)焊縫裂紋清理干凈。焊接前，預(yù)熱溫度為70℃。焊接時(shí)應(yīng)在距離焊縫兩側(cè)350mm架設(shè)2只百分表監(jiān)測焊接變形。（焊接采用CHS042O焊條）

（七）根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，安裝軸流風(fēng)機(jī)做好通風(fēng)換氣等安全保障工作，保護(hù)工作人員人身安全；用石棉布作好轉(zhuǎn)輪體的保護(hù)工作，防止鐵屑、焊接飛濺物等雜質(zhì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪槳葉根部與轉(zhuǎn)輪體形成的間隙內(nèi)，防止槳葉動(dòng)作時(shí)拉傷配合面。

（八）焊接時(shí)先焊接滿內(nèi)側(cè)坡口,外側(cè)坡口清根后焊滿；為了保證焊接質(zhì)量，控制焊接變形，應(yīng)將焊縫分為2段進(jìn)行；對每小段之間的焊縫接頭處，必須進(jìn)行清理打磨，每層焊縫之間的接頭應(yīng)錯(cuò)開至少20mm。

（九）除底層和蓋面層外，每焊一層均應(yīng)即時(shí)錘擊以釋放焊接應(yīng)力和防止變形過大；焊接后采用保溫毯保溫緩冷，冷卻至室溫后打磨焊縫，并在24小時(shí)后按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT+PT探傷。

（十）轉(zhuǎn)輪室所有檢查出的裂紋焊接完成并探傷合格后，應(yīng)分4個(gè)方向檢查轉(zhuǎn)輪室直徑尺寸；盤車檢查8個(gè)方向槳葉間隙，保證槳葉間隙在合格范圍內(nèi)，防止機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪槳葉與轉(zhuǎn)輪室發(fā)生摩擦。

（十一）按上述要求處理合格后，方可投入運(yùn)行，在運(yùn)行期間，應(yīng)注意監(jiān)測轉(zhuǎn)輪室修復(fù)處或其他區(qū)域有無裂紋再次出現(xiàn)在的，若再次產(chǎn)生裂紋應(yīng)立即停機(jī)，重新處理。

3f轉(zhuǎn)輪室裂紋處理完畢后即刻投入試運(yùn)行，在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)過大，經(jīng)新政電站與檢修公司討論后認(rèn)為，轉(zhuǎn)輪室焊縫處可能因?yàn)閼?yīng)力消除不夠而導(dǎo)致變形，決定再次停機(jī)處理。事實(shí)上也證實(shí)了這個(gè)猜測，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)補(bǔ)焊的位置由于應(yīng)力未消除到位發(fā)生形變，與槳葉的間隙過小，從而導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)過大。對焊縫處重新打磨并測量槳葉間隙確認(rèn)符合檢修標(biāo)準(zhǔn)后，3f重新進(jìn)行試運(yùn)行，振動(dòng)過大的現(xiàn)象得到了消除。

之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是現(xiàn)場處理時(shí)轉(zhuǎn)輪室部件尺寸過大，回火很難達(dá)到要求，加之在倉促開機(jī)造成的。這也是這次搶修過程中經(jīng)驗(yàn)不足的表現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)吸取教訓(xùn)，以更好的積累經(jīng)驗(yàn)，為今后的檢修工作作出積極的指導(dǎo)。

結(jié)束語

燈泡貫流式機(jī)組目前已在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，設(shè)備運(yùn)行和檢修經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，可以使設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的工藝水平逐步提高，不斷改進(jìn)設(shè)備性能，增強(qiáng)其可靠性和穩(wěn)定性。本文列舉了燈泡貫流式機(jī)組檢修中所遇到的一種典型故障，并介紹了其分析處理和改進(jìn)的方法，其中也包含了一些新型的檢修工藝和故障診斷方法，新材料的應(yīng)用等，可以有效地提高檢修效率和檢修質(zhì)量。據(jù)了解，嘉陵江流域閬中金銀臺(tái)水電站、逢安金溪水電站、儀隴新政水電站轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)基本一樣，三個(gè)電站轉(zhuǎn)輪室均出現(xiàn)過裂紋，有的部位是反復(fù)出現(xiàn)，如果只是對裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理，不能達(dá)到徹底消除設(shè)備安全隱患目的；為保證機(jī)組安全運(yùn)行，以上三個(gè)電站與設(shè)計(jì)、制造成廠家最終達(dá)成更換轉(zhuǎn)輪室的方案，通過增加轉(zhuǎn)輪室壁厚、加寬轉(zhuǎn)輪室不銹鋼面積、轉(zhuǎn)輪室外部增加加強(qiáng)筋板等技術(shù)改造措施，目前已全部完成轉(zhuǎn)輪室更換工作，經(jīng)過近5年運(yùn)行觀察，以上三個(gè)電站均沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室裂紋現(xiàn)象，徹底解決了機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)裂紋的重大安全隱患。