某軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋原因分析與處理

吳正發(fā)，向 華，袁曙斌

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

某水電廠總裝機容量為150 MW，安裝3臺單機容量50 MW的ZZ-LH-5953型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，于2008年2月全部投產(chǎn)發(fā)電。該電廠轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)，由1個中心體和6個扇形支臂外環(huán)組件組成，中心體由中心圓筒、上圓盤、下圓盤、立筋板等焊接而成[1]。轉(zhuǎn)子F2330中心圓筒（以下簡稱轉(zhuǎn)子中心圓筒）上端法蘭面板厚100 mm，材質(zhì)為Q345B；轉(zhuǎn)子中心圓筒立筋板厚75 mm，材質(zhì)為Q235A；上圓盤厚度25 mm，材質(zhì)為Q345B。

電廠2號機組A級檢修無損檢測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心圓筒立筋外側(cè)上端面法蘭與上圓盤板連接環(huán)焊縫（以下簡稱轉(zhuǎn)子中心體焊縫）發(fā)現(xiàn)32條裂紋，長度達1 940 mm。補焊后產(chǎn)生22條焊后冷裂紋，長度達1 365 mm。轉(zhuǎn)子支架是連接磁軛和轉(zhuǎn)軸的傳動承載部件，起著固定磁軛和傳遞轉(zhuǎn)矩作用[2]，其中心圓筒上法蘭面連接發(fā)電機上端軸，下法蘭面連接發(fā)電機主軸，是發(fā)電機軸系的重要部分[3]。本次發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋數(shù)量多、長度大，危害性極大，嚴重影響機組安全運行[4]，為降低焊縫反復(fù)處理對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度的影響，避免轉(zhuǎn)子返廠家處理或者整體更換，進行了裂紋產(chǎn)生原因分析，完善處理措施和質(zhì)量監(jiān)控，消除轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋[5]。

1 裂紋情況

某水電廠軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電2號機組A級檢修期間，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心體焊縫32條裂紋，裂紋總長度1 940 mm，單條裂紋最大長度約300 mm。轉(zhuǎn)子中心體共12個通風(fēng)孔，除1號通風(fēng)孔外，其他11個通風(fēng)孔的中心體焊縫均發(fā)現(xiàn)大量裂紋（見表1），裂紋分布于焊縫及其熱影響區(qū)位置。裂紋清根后需要補焊長度達2 187 mm，最大深度為15 mm，焊接單條最大長度為250 mm。

表1 轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋統(tǒng)計情況

電廠進行現(xiàn)場返修處理，焊接完自然冷卻至室溫24 h后，對補焊區(qū)域及熱影響區(qū)進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)在補焊區(qū)域產(chǎn)生大量裂紋，數(shù)量達22條，總長度1 365 mm，最長200 mm。裂紋基本分布在焊縫坡口熔合線區(qū)域，裂口發(fā)亮，無氧化現(xiàn)象，呈典型焊后冷裂紋形貌。

2 裂紋原因分析

2.1 材質(zhì)焊接性能分析

鋼的碳當(dāng)量是將鋼中對焊接性能如淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素（包括碳元素）換算成碳的相當(dāng)含量，通過鋼的碳當(dāng)量換算，能估算鋼的冷裂敏感性，有效指導(dǎo)制定預(yù)熱溫度、焊后保溫和焊接能量等焊接工藝規(guī)范[6]。

碳當(dāng)量（CEV）計算公式[7]：

根據(jù)式（1）計算出2號機組轉(zhuǎn)子中心圓筒材質(zhì)的碳當(dāng)量CEV（%）為0.492%（見表2），高于《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591-2018）中公稱厚度63～150 mm的Q355B鋼的碳當(dāng)量不大于0.47%的要求（Q355鋼級代替Q345鋼級）[7]。因此，該電廠2號機組轉(zhuǎn)子中心圓筒材質(zhì)Q345B具有一定的淬硬和冷裂傾向，在現(xiàn)場焊接時，焊縫可能存在淬硬組織，有一定程度脆化和較高冷裂敏感性，應(yīng)適當(dāng)提高預(yù)熱溫度以防止裂紋產(chǎn)生。

表2 轉(zhuǎn)子中心體碳當(dāng)量計算結(jié)果

2.2 焊接質(zhì)量

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心體焊縫焊接質(zhì)量較差，在裂紋產(chǎn)生區(qū)域存在大尺寸咬邊現(xiàn)象，焊縫內(nèi)部存在氣孔、夾渣缺陷。表面缺陷會降低焊縫的疲勞強度，容易造成焊縫局部應(yīng)力集中[8]，誘發(fā)疲勞微裂紋。轉(zhuǎn)子中心體現(xiàn)場組焊時，中心圓筒厚度大，冷卻速度快，產(chǎn)生大拘束應(yīng)力，預(yù)熱和焊后保溫措施不規(guī)范，容易產(chǎn)生微裂紋。在機組運行中，焊接拘束應(yīng)力釋放和交變應(yīng)力作用下，上述微裂紋進一步擴展，形成大尺寸裂紋。

2.3 運行狀況

該電廠為電網(wǎng)骨干主調(diào)頻電廠，頻繁參與電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)。機組投入AGC運行時，負荷頻繁通過強振動區(qū)，在強振動區(qū)運行頻次多，引起轉(zhuǎn)子構(gòu)件振動和循環(huán)交替應(yīng)力造成疲勞破壞[9]，尤其在轉(zhuǎn)子中心體焊縫應(yīng)力集中和存在咬邊等焊接缺陷區(qū)域容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

2.4 返修焊后裂紋原因分析

轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，無損檢測發(fā)現(xiàn)大量焊后冷裂紋，數(shù)量達22條，總長達1 365 mm，沿焊縫焊接坡口熔合線分布。綜合分析處理方案、焊接工藝和現(xiàn)場施焊情況，產(chǎn)生大量焊后冷裂紋的原因是焊接工藝不合理，未進行預(yù)熱，焊接方式選擇不合理（只選擇手工電弧焊，未考慮氣體保護焊），焊接過程未消應(yīng)力處理，焊后未保溫，轉(zhuǎn)子中心體圓盤厚度大，冷卻速度過快，產(chǎn)生大焊接殘余應(yīng)力和大拘束力。在上述兩種力的作用下，焊縫在其薄弱的焊接坡口熔合線區(qū)域拉裂。

綜合上述分析，該電廠2號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋的主要原因是低合金高強度鋼焊接工藝控制不佳，存在淬硬組織，焊接質(zhì)量較差，存在容易引起局部應(yīng)力集中的較大尺寸咬邊等缺陷，構(gòu)件厚度大，焊接后冷卻速度快，產(chǎn)生大拘束力。以上現(xiàn)象的發(fā)生會降低焊縫疲勞強度，特別在應(yīng)力集中區(qū)域，在拘束力和運行交變應(yīng)力作用下，成為微觀疲勞裂紋源，進而擴展成為宏觀裂紋[10]。此外，機組AGC運行時，機組頻繁通過和處于強振動區(qū)運行，在長期的往復(fù)交替和周期循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋在應(yīng)力集中、咬邊等區(qū)域萌發(fā)和擴展。

轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，由于焊接工藝不合理，沒有進行焊前預(yù)熱和焊后保溫，焊接方式選擇不當(dāng)，焊接過程未進行消應(yīng)力處理，焊接殘余應(yīng)力大，焊接后冷卻速度過快，產(chǎn)生大的拘束力，造成修補焊縫在焊接坡口熔合線區(qū)域裂開，產(chǎn)生大量焊后冷裂紋。

3 現(xiàn)場返修技術(shù)難點

本次檢測發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋數(shù)量多、長度大，現(xiàn)場大范圍的轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋返修沒有可以遵循經(jīng)驗，并且第一次返修后產(chǎn)生大量焊后冷裂紋，對現(xiàn)場返修方案和焊接工藝等提出更高技術(shù)要求。

3.1 變形控制和消除焊接應(yīng)力措施

轉(zhuǎn)子中心體是精加工后的組合構(gòu)件，焊前預(yù)熱、焊接和焊后熱保溫階段都會引起轉(zhuǎn)子中心體發(fā)生變形。由于現(xiàn)場焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力無法完全消除，會產(chǎn)生焊接變形[11]，尤其大范圍焊縫返修，轉(zhuǎn)子中心體變形量會更加明顯。此外，再次對焊縫裂紋位置進行返修，需要將第一次補焊區(qū)域焊接金屬和焊后裂紋區(qū)域進行全部挖凈、清根，使補焊范圍和焊接量增加，再次預(yù)熱、焊接和焊后熱保溫會增大變形量，增加變形量控制的難度。

焊接殘余應(yīng)力和大拘束力是轉(zhuǎn)子中心體焊縫產(chǎn)生焊后冷裂紋的主要原因。大范圍的焊接、大厚度板材和惡劣的現(xiàn)場環(huán)境均增加消除焊接應(yīng)力的技術(shù)難度。尤其上圓盤板厚大，剛性偏大，會限制焊接時焊縫收縮，產(chǎn)生大的拘束力[11]，可能產(chǎn)生焊后裂紋。因此，必須采取綜合措施，焊接應(yīng)力才能達到良好消除效果，有效控制轉(zhuǎn)子整體變形和避免焊后冷裂紋。

3.2 焊接質(zhì)量控制

焊接質(zhì)量不佳是轉(zhuǎn)子中心體焊縫產(chǎn)生裂紋的重要原因，現(xiàn)場返修環(huán)境較差，溫度低、濕度大，焊接范圍大，作業(yè)空間狹小，人員焊接姿勢受限等均直接影響焊接質(zhì)量。

3.3 焊接工藝控制

轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋第一次返修后產(chǎn)生大量焊后冷裂紋，主要原因為焊接工藝不合理，并且焊接工藝的控制會直接影響轉(zhuǎn)子中心體變形情況，焊縫再次返修對預(yù)熱溫度、焊接規(guī)范、焊后熱保溫、冷卻速度和消應(yīng)力處理等工藝控制提出更高要求。

4 裂紋處理思路和實施過程

4.1 裂紋處理思路

4.1.1 增加預(yù)熱和焊后保溫措施

轉(zhuǎn)子已精加工到位，預(yù)熱溫度過高會導(dǎo)致變形，預(yù)熱溫度低不利于改善材料的淬硬性能以防止裂紋產(chǎn)生。因此，在施焊接的前一天，將轉(zhuǎn)子中心體區(qū)域整體均勻加溫到位20～30℃。在施焊前，對補焊區(qū)域用火焰槍進行加熱至50～80℃，并用紅外測溫槍對補焊區(qū)域進行測量，精確均勻控制預(yù)熱溫度。焊接過程在轉(zhuǎn)子頂部和四周全覆蓋帆布進行保溫，焊接完成后立即使用厚石棉布覆蓋補焊區(qū)域，使得焊接部位緩慢冷卻。

4.1.2 改進焊接方法

所有補焊區(qū)域采用氬弧焊GTAW處理，補焊長度大于100 mm時，嚴格采取分段焊接的方法，以盡量減少焊接變形?？刂坪傅莱尚蜗禂?shù)（寬度/厚度）為1.3～2.0（最佳范圍為1.4～1.6），防止產(chǎn)生熱裂紋。

4.1.3 開展焊接工藝試驗與評估

焊接前，廠家依據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)完成焊接工藝評定，并在現(xiàn)場選擇1個通風(fēng)孔內(nèi)的轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋按照處理方案和焊接工藝進行焊接試驗，處理合格后再對其他通風(fēng)孔內(nèi)的裂紋進行處理。

4.1.4 焊接過程消應(yīng)力處理

采用風(fēng)鏟錘擊消除焊接應(yīng)力。在焊接第二層至倒數(shù)第二層過程中，每焊完1層后進行錘擊，使焊縫填充金屬在熱態(tài)下得到充分延展，降低冷卻收縮過程中的殘余應(yīng)力，提高焊接的質(zhì)量[12]，提高接頭疲勞壽命。此外，采用封邊焊道和短、薄、窄焊道的焊接方式降低焊接應(yīng)力。

4.2 實施過程

按照以上裂紋處理思路對2號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋進行再次返修處理。

4.2.1 裂紋檢測和磨削坡口

角磨機清理焊縫和及其熱影響區(qū)，露出金屬光澤，進行全面磁粉檢測，對22條焊后裂紋位置、長度、分布等數(shù)據(jù)進行詳細記錄和存檔備查（第一次返修前的裂紋數(shù)據(jù)已經(jīng)記錄）。首先根據(jù)兩次裂紋檢測記錄，使用角磨機對第一次返修補焊區(qū)域填充金屬和焊后冷裂紋進行全部清理干凈，進行磁粉檢測確認無任何缺陷.

根據(jù)焊接需要，修磨合適的焊接坡口，以提高焊接質(zhì)量。磨削坡口時，從距離開裂端點20～30 mm位置起，向開裂方向磨削，坡口上角約35°，下角約10°，兩端約30°，根部圓度R≥10 mm。

4.2.2 焊接修補和質(zhì)量控制

大范圍返修前，先對5號通風(fēng)孔內(nèi)的轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋（2條，深度分別為4 mm和6 mm）返修處理，進行焊接方案和焊接工藝試驗與評定。

所有轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋采用氬弧焊GTAW處理。補焊長度大于100 mm時，嚴格采取分段焊接的方法，以盡量減少焊接變形。保護氣Ar氣體純度為99.99%，流量10～15 L/min。層/道間溫度不超過220℃，防止由于溫度過高導(dǎo)致變形。

表3 氬弧焊GTAW焊接規(guī)范

焊道間嚴格清理，對焊道側(cè)面的形狀不良進行修磨，防止產(chǎn)生焊道間欠缺，引起焊接缺陷。嚴禁在補焊區(qū)域外引弧、熄弧，起弧和收弧填滿弧坑，防止產(chǎn)生弧坑裂紋。每條裂紋處理完成后，單獨對補焊區(qū)域進行磁粉檢測，確認無焊接缺陷。所有焊縫裂紋處理完成，且冷卻至室溫24 h后，再次對補焊區(qū)域進行整體無損檢測驗收。驗收合格后，對焊縫表面打磨，圓滑過渡，焊縫余高小于3.2 mm。

4.2.3 變形量監(jiān)控和消除焊接應(yīng)力措施

為準(zhǔn)確監(jiān)控返修處理過程中轉(zhuǎn)子變形量，在轉(zhuǎn)子中心體上表面加工面布置百分表監(jiān)測焊接對加工面的影響，并在每個通風(fēng)孔布置1個百分表，在焊前預(yù)熱、焊接、風(fēng)鏟錘擊和焊后熱保溫階段隨時監(jiān)測百分表讀數(shù)。采用兩人同時對稱焊接方式，防止中心體變形。焊接過程，變形量不能超過0.05 mm，根據(jù)監(jiān)控的變形量數(shù)值及時調(diào)整焊接位置和順序。監(jiān)控焊縫冷卻后，變形量控制在0.06 mm以內(nèi)。

采取風(fēng)鏟錘擊、封邊焊道與短、薄、窄焊道的焊接方式和熱保溫緩冷等措施有效降低焊接殘余應(yīng)力和大拘束力。每連續(xù)焊接不超過兩道時，采用風(fēng)鏟錘擊消應(yīng)處理。除第一層和蓋面層外，所有焊層進行錘擊消應(yīng)力，錘擊部位為焊縫金屬、熔合區(qū)和粗晶區(qū)，重點錘擊壓道和起始焊道的搭接部位。錘擊消應(yīng)時，焊道溫度為100～150℃，錘擊保持均勻、適度，錘擊深度約0.5～1.0 mm，風(fēng)壓為0.4～0.8 MPa。扁錘頭圓角1.0～1.5 mm，圓錘頭尺寸Φ8 mm。

采用封邊焊道方法，相鄰焊道焊接方向相反，防止應(yīng)力疊加，產(chǎn)生側(cè)邊拉裂。采用短、薄、窄焊道的焊接方式，連續(xù)施焊長度不超過100 mm，焊道厚度不超過3 mm，焊道寬度不超過15 mm，而對于面域狀補焊區(qū)域采用跳/段焊接方式，連續(xù)施焊長度控制在100 mm以內(nèi)，減小焊接應(yīng)力。

由于轉(zhuǎn)子已加工到位，200℃×2 h熱處理溫度會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子變形，現(xiàn)場不考慮再進行熱處理，而是在轉(zhuǎn)子頂部和四周全覆蓋帆布保溫，焊接完成后立即使用厚石棉布覆蓋補焊區(qū)域進行緩慢冷卻，防止冷卻速度過快，在大厚度轉(zhuǎn)子中心體圓筒上法蘭板產(chǎn)生大拘束力，而產(chǎn)生裂紋。

4.2.4 裂紋處理結(jié)果

2號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋根據(jù)上述方案和焊接工藝處理完成，補焊區(qū)域無損檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合、咬邊等缺陷，檢測結(jié)果滿足NB/T 47013.4-2015中的I級要求：線性缺陷磁痕顯示不超過1.5 mm，圓形缺陷磁痕顯示不超過2.0 mm（直徑，評定框35 mm×100 mm）[13]。2號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋成功處理，為1號、3號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋的現(xiàn)場處理積累技術(shù)和經(jīng)驗。

5 結(jié)語

（1）某水電廠軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電2號機組轉(zhuǎn)子中心體焊縫產(chǎn)生大量裂紋的主要原因是低合金高強度鋼焊接工藝控制不佳，焊接時存在淬硬組織，焊接質(zhì)量較差，存在容易引起局部應(yīng)力集中的較大尺寸咬邊等缺陷，構(gòu)件厚度大，焊接后冷卻速度快，產(chǎn)生大拘束力；此外，機組頻繁通過和處于強振動區(qū)，在大拘束力、長期的往復(fù)交替與周期循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋在應(yīng)力集中區(qū)域、咬邊等焊接缺陷處萌發(fā)和擴展。

（2）轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，產(chǎn)生大量焊后冷裂紋的原因是焊接工藝不合理，焊接方式選擇不當(dāng)，產(chǎn)生大焊接殘余應(yīng)力和拘束力，造成返修焊縫在其坡口熔合線區(qū)域拉裂。

（3）通過改進焊接工藝，包括增加預(yù)熱和焊后保溫、采用氬弧焊GTAW、變形控制和消應(yīng)處理，有效處理轉(zhuǎn)子中心體焊縫裂紋問題。