某水電站2 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支臂裂紋原因分析與處理措施

丁立葉

（大唐甘肅發(fā)電有限公司碧口水力發(fā)電廠，甘肅 文縣 746412）

1 電站概況

某水電站位于甘肅省文縣境內(nèi)，電站設(shè)計(jì)安裝3 臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量3×80MW。電站主體工程于2007 年1 月開(kāi)工建設(shè)，3 臺(tái)機(jī)組于2014 年6月底投產(chǎn)發(fā)電。該水電站發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF80-30/7600，轉(zhuǎn)子支架采用輪輻式設(shè)計(jì)，其中10條支臂立筋板和外圍環(huán)板由壁厚30mm，材質(zhì)為Q345B 的鋼板焊接制成，轉(zhuǎn)子總重約270t（見(jiàn)圖1）。

圖1 轉(zhuǎn)子支架外形圖

2 情況簡(jiǎn)述

2021 年04 月15 日，該水電站按計(jì)劃開(kāi)展2 號(hào)機(jī)組C 級(jí)檢修，在檢修過(guò)程中，檢查發(fā)現(xiàn)2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支臂連接焊縫熔合線處母材存在開(kāi)裂、轉(zhuǎn)子支臂與外圍環(huán)板連接端部焊縫及母材存在開(kāi)裂等重大設(shè)備缺陷，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)檢查，10 條支臂與中心體連接兩端20 條角焊縫熔合線處母材均存在不同程度開(kāi)裂，其中上下端部存在支臂母材貫穿性開(kāi)裂現(xiàn)象，有4 條焊縫熔合線自上而下存在通長(zhǎng)裂紋，具體情況見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 轉(zhuǎn)子支臂下端開(kāi)裂

圖3 轉(zhuǎn)子支臂中部開(kāi)裂

3 原因分析

缺陷發(fā)現(xiàn)后，立即組織專業(yè)技術(shù)人員成立攻關(guān)小組，認(rèn)真細(xì)致進(jìn)行討論分析，認(rèn)為造成裂紋發(fā)生的主要原因有以下3 個(gè)方面。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

轉(zhuǎn)子支架在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在設(shè)計(jì)缺陷，轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支架外圍環(huán)板之間的支臂僅靠10 條厚度30mm 的鋼板作為立筋承載，未設(shè)計(jì)有承載圓周方向扭矩及旋轉(zhuǎn)離心力的補(bǔ)強(qiáng)加固措施，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支臂承載機(jī)組旋轉(zhuǎn)扭矩和軸向載荷的能力不足，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，轉(zhuǎn)子支臂在磁軛和磁極重力、旋轉(zhuǎn)扭矩及離心力、電磁拉力等多重應(yīng)力的頻繁作用下發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

3.2 焊接工藝方面

轉(zhuǎn)子支臂鋼板壁厚30mm，材質(zhì)為Q345B，從現(xiàn)場(chǎng)查看，轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子支臂連接處裂紋均出現(xiàn)在焊縫熔合線處，此處屬于焊縫熱影響區(qū)，容易形成淬火組織馬氏體，使近縫區(qū)的硬度提高，塑性下降，并且造成焊縫殘余應(yīng)力過(guò)大。轉(zhuǎn)子支臂與中心體連接處在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支架運(yùn)行過(guò)程應(yīng)力集中部位，在制造階段焊接工藝控制不良，在焊接過(guò)程中可能存在較大的殘余應(yīng)力，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，在焊縫殘余應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及剪切力綜合作用下造成開(kāi)裂。

3.3 運(yùn)行工況方面

經(jīng)查閱機(jī)組運(yùn)行日志，受電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)調(diào)節(jié)影響，該機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中頻繁進(jìn)行開(kāi)停機(jī)和負(fù)荷調(diào)整、倒空等操作，每月平均開(kāi)停機(jī)次數(shù)可達(dá)70 余次，每月機(jī)組負(fù)荷倒空次數(shù)最多可達(dá)200 余次，頻繁的開(kāi)停機(jī)和負(fù)荷調(diào)整對(duì)轉(zhuǎn)子支臂所產(chǎn)生的交變應(yīng)力加劇了疲勞開(kāi)裂的速度。

4 處理方案

根據(jù)上述原因分析，計(jì)劃采取裂紋修復(fù)、設(shè)計(jì)加裝加強(qiáng)筋板的方式進(jìn)行處理。處理的主要工序?yàn)椋恨D(zhuǎn)子支臂與外圍環(huán)板連接部位裂紋修復(fù)—轉(zhuǎn)子中心體與支臂連接部位裂紋修復(fù)—加強(qiáng)筋板焊接安裝。具體方案內(nèi)容如下。

4.1 轉(zhuǎn)子支臂與外圍環(huán)板連接部位裂紋修復(fù)

（1）確保所有缺陷全部檢查到位、無(wú)遺漏。采用碳弧氣刨對(duì)裂紋進(jìn)行清除，直至裂紋全部消失。

（2）對(duì)于母材貫穿性裂紋，在裂紋處刨開(kāi)焊接“雙V”型坡口，按照機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向，支臂正面開(kāi)坡口深度控制在20 ～22mm，背面開(kāi)坡口深度控制在12 ～13mm，坡口寬度符合國(guó)標(biāo)要求；對(duì)于單側(cè)裂紋，在裂紋處刨開(kāi)焊接“單V”型坡口，坡口深度直至裂紋消失。坡口開(kāi)好后，用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將坡口修磨平整，去除滲碳層。

（3）對(duì)坡口進(jìn)行100%滲透檢測(cè)，應(yīng)無(wú)裂紋、氣孔等缺陷。

（4）焊接工藝優(yōu)先采用富Ar 氣體保護(hù)焊，焊絲直徑φ1.2、焊絲材質(zhì)H08MnSiA；對(duì)于個(gè)別難以施焊部位可采用手工電弧焊焊接，采用J507R 焊條，焊條直徑φ3.2 或φ4，焊條經(jīng)300 ～350℃烘干1 小時(shí)后方可使用。

（5）焊接原則采用分段焊、對(duì)稱焊的原則，單條焊縫的最大長(zhǎng)度不得超過(guò)200mm，以控制焊接熱輸入量，減少或避免焊接變形。

（6）對(duì)于非貫穿性裂紋，缺陷深度大于20mm，在坡口開(kāi)好后分三層進(jìn)行焊接處理，每層焊縫焊接完成后，立即進(jìn)行清根處理，用風(fēng)鏟或手錘敲擊釋放焊接應(yīng)力；缺陷深度小于20mm 的裂紋，進(jìn)行二層焊接處理。

（7）對(duì)于貫穿性裂紋，按照四層焊接、正反交替焊接的原則進(jìn)行焊接處理，每層焊接完成后，同樣進(jìn)行清根和釋放應(yīng)力處理。

（8）焊接工作完成后，對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨光滑、平整并與支臂母材同高，不得有凸出或凹陷存在，經(jīng)超聲波和滲透檢測(cè)合格。

（9）本側(cè)支臂焊接完成后，按照對(duì)稱焊的原則，進(jìn)行對(duì)側(cè)支臂的焊接，嚴(yán)禁直接在相鄰支臂處進(jìn)行焊接，防止轉(zhuǎn)子支架因局部受熱造成焊接變形，影響轉(zhuǎn)動(dòng)部件的動(dòng)平衡。

4.2 轉(zhuǎn)子支臂與中心體連接部位裂紋修復(fù)

此處裂紋修復(fù)工藝與4.1 項(xiàng)修復(fù)工藝基本相同，仍然采用裂紋清理、補(bǔ)焊修磨的工藝進(jìn)行處理。

4.3 加強(qiáng)筋板制作及焊接安裝

為彌補(bǔ)轉(zhuǎn)子支臂強(qiáng)度不足問(wèn)題，在轉(zhuǎn)子中心體與轉(zhuǎn)子外圍環(huán)板之間的支臂上下端部，設(shè)計(jì)焊接“T”形加強(qiáng)筋板，加強(qiáng)筋板內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子中心體焊接連接、外側(cè)與外圍環(huán)板焊接連接，使轉(zhuǎn)子支臂與外圍環(huán)板形成整體結(jié)構(gòu)；在轉(zhuǎn)子支臂垂直方向中部，設(shè)計(jì)焊接“蝶”形加強(qiáng)筋板，“蝶”形筋板內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)子中心體焊接連接，兩側(cè)分別與相鄰的轉(zhuǎn)子支臂進(jìn)行焊接連接。

4.3.1 轉(zhuǎn)子支臂上下端部“T”形加強(qiáng)筋板焊接

（1）根據(jù)轉(zhuǎn)子中心體和轉(zhuǎn)子支架外圍環(huán)板實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)制作“T”形加強(qiáng)筋板（具體尺寸見(jiàn)圖4），筋板材質(zhì)采用Q345C、板厚24mm。

圖4 “T”形加強(qiáng)筋板下料圖

（2）每塊加強(qiáng)筋板修磨完成后應(yīng)進(jìn)行稱重，根據(jù)重量對(duì)稱分配安裝位置。

（3）“T”形加強(qiáng)筋板內(nèi)側(cè)（半徑R632）與轉(zhuǎn)子中心體連接端面及外側(cè)（半徑R1200）與轉(zhuǎn)子外圍環(huán)板連接端面，分別修磨出“K”型坡口，坡口開(kāi)好后，用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)將坡口修磨平整，去除滲碳層。

（4）將轉(zhuǎn)子支臂上下端部清理打磨，修磨出“K”型坡口，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子中心體和外圍環(huán)板部位進(jìn)行清掃打磨，去除漆皮、氧化皮等，直至露出金屬光澤。

（5）焊接順序：首先，進(jìn)行“T”形加強(qiáng)筋板內(nèi)、外側(cè)弧形角焊縫打底焊，再進(jìn)行轉(zhuǎn)子支臂徑向平行角焊縫打底焊，單條焊縫長(zhǎng)度不超過(guò)200mm，否則，進(jìn)行分段焊。焊接每段焊縫后立即用風(fēng)鏟或手錘進(jìn)行敲擊，釋放焊接應(yīng)力。

（6）焊接工藝采用富Ar 氣體保護(hù)焊，焊絲直徑φ1.2、焊絲材質(zhì)H08MnSiA。

（7）按照對(duì)稱焊接的原則，一側(cè)“T”形加強(qiáng)筋板焊接完成后，進(jìn)行對(duì)側(cè)支臂加強(qiáng)筋板焊接，直至所有20塊筋板焊接完成。

（8）所有20 塊筋板打底焊完成后，再對(duì)稱進(jìn)行表面角焊縫的焊接，焊角高度14 ⊿，單條焊縫長(zhǎng)度不超過(guò)200mm，否則，進(jìn)行分段焊。表面角焊完成后，對(duì)焊縫表面進(jìn)行打磨光滑、平整，各角焊縫焊角高度允許偏差±1mm，經(jīng)超聲波和磁粉合格。

4.3.2 轉(zhuǎn)子支臂中部“蝶”形加強(qiáng)筋板焊接

（1）根據(jù)轉(zhuǎn)子中心體和兩相鄰轉(zhuǎn)子支臂際尺寸，設(shè)計(jì)制作“蝶”形加強(qiáng)筋板（具體尺寸見(jiàn)圖5），筋板材質(zhì)采用Q345C、板厚24mm。

圖5 “蝶”形加強(qiáng)筋板下料圖

（2）此處筋板稱重分配、焊接工藝與4.3.1 項(xiàng)基本相同，焊接完成后，所有角焊縫修磨平整，經(jīng)磁粉檢測(cè)合格。

5 方案實(shí)施及效果檢查

按照上述方案對(duì)所有裂紋進(jìn)行了修復(fù)處理，轉(zhuǎn)子支架上、中、下端部加裝了“T 形”和“蝶形”筋板，補(bǔ)強(qiáng)轉(zhuǎn)子支架強(qiáng)度，所有加裝的30 塊筋板總重約500kg，對(duì)于轉(zhuǎn)子重量及推力負(fù)荷影響不大。具體修復(fù)情況如圖6。

圖6 轉(zhuǎn)子支臂加固效果圖

所有處理方案實(shí)施完畢后開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，檢查機(jī)組推力、導(dǎo)軸承瓦溫?zé)o明顯變化。檢查機(jī)組各部振動(dòng)、擺度變化情況，具體數(shù)據(jù)如表1。

表1 2 號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理前后振動(dòng)、擺度對(duì)比分析表

經(jīng)過(guò)對(duì)上表數(shù)據(jù)的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理后，各項(xiàng)振擺技術(shù)參數(shù)略有增大，但數(shù)據(jù)均在國(guó)標(biāo)、行標(biāo)規(guī)程允許范圍內(nèi)，不影響機(jī)組的正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)機(jī)組近2 年的運(yùn)行監(jiān)視，整體運(yùn)行工況穩(wěn)定，轉(zhuǎn)子支臂再未發(fā)生開(kāi)裂情況，該問(wèn)題得到了有效徹底的解決。該轉(zhuǎn)子支臂裂紋的成功處理，為同類型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子支臂裂紋的處理提供了一定的參考經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于同類問(wèn)題的處理具有一定的借鑒意義。