紅旗水電站貫流式機組轉輪室裂紋分析及處理

李 進 博， 易 吉 軍

(四川嘉陵江蒼溪航電開發有限公司，四川 廣元 628400)

紅旗水電站貫流式機組轉輪室裂紋分析及處理

李 進 博， 易 吉 軍

(四川嘉陵江蒼溪航電開發有限公司，四川 廣元 628400)

通過介紹紅旗水電站貫流式機組轉輪室合縫板角焊縫處裂紋產生的原因和采取的處理方法，為貫流式機組轉輪室合縫板角焊縫的結構設計和工藝處理提供了一定的參考。

貫流式機組；轉輪室；裂紋；應力集中；紅旗水電站

1 概 述

紅旗水電站位于四川省廣元市蒼溪縣境內，是嘉陵江廣元至重慶段梯級開發的第三級。電站裝有3臺單機容量22MW的三葉片燈泡貫流式機組，年設計發電量2.66億kW·h。機組的額定水頭為6.1m，轉輪直徑7.2m，轉輪室為全馬氏體不銹鋼，采用鋼板模壓結構，分上下兩瓣，結合面采用法蘭連接。

2016年1月，運行人員在檢查2#機組伸縮節漏水問題時，發現轉輪室靠尾水管側上下半部合縫板角焊縫處有沿圓周方向的貫穿性裂紋。經對另外2臺機組轉輪室進行全面的檢查和探傷，發現在同樣的位置均有不同程度的裂紋存在。其中1#機組裂紋總長度為625mm, 最大裂紋深度為43mm；2#機組裂紋總長度為230mm，約有30mm裂紋為貫穿性裂紋；3#機組裂紋總長度為330mm，約有230mm裂紋為貫穿性裂紋(圖1)。

圖1 轉輪室合縫板角焊縫處裂紋圖

2 裂紋產生原因分析

2.1 結構工藝方面

對比同一廠家在嘉陵江下游鳳儀水電站燈泡貫流式機組合縫板角焊縫處的結構(圖2)可以看出：紅旗水電站機組合縫板角焊縫處收縮比較劇烈；而鳳儀水電站合縫板角焊縫處收縮比較平緩，轉輪室合縫板到伸縮節之間有一個過渡段，且其為分段施焊，有利于應力消除。另外，廠家圖紙要求合縫板角焊縫處的焊縫寬度應為20mm，而現場實際的焊縫寬度僅有5mm。經對材料疲勞應力進行計算得知：轉輪室材料的永久疲勞應力幅為50MPa。當合縫板角焊縫寬度為20mm時，最大應力為56.5MPa，應力幅為28.3MPa，能夠滿足疲勞設計要求；而當合縫板角焊縫寬度為5mm時，最大應力為128.3MPa，應力幅為64.2MPa，無法滿足疲勞設計要求，易造成焊縫開裂。

圖2 紅旗與鳳儀水電站合縫板角焊縫結構對比圖

2.2 運行方面

振動偏大是燈泡貫流式機組轉輪室的普遍現象[1]，也是容易引起轉輪室裂紋的因素之一。對此，我們調取了1#機組在5MW、10MW、15MW、20MW、22MW等5個工況下轉輪室的振動數值。經對比得知：轉輪室各工況振動數值均在廠家給定的振動幅值范圍(0.2～0.5mm)內，但與下游鳳儀水電站的振動數據相比，其振動數值平均大0.1～0.2mm。

綜上所述，我們認為：3臺機組產生裂紋的根本原因是角焊縫處結構收縮過渡不夠以及焊縫未嚴格按工藝要求施焊所致。而機組運行中的交變應力和振動作用只是在一定程度上加速了裂紋產生，為次要原因。

3 裂紋的處理

因裂紋處理工期等問題，在綜合評估的基礎上，先期采用了在跨裂紋中心焊接臨時補強筋板的方法以保證裂紋不再發生擴展，具體方法為：

(1)先用砂輪機磨除尾部裂紋，從裂紋終止端向裂紋發生端磨除深度5～15mm并磨出U型焊接坡口，裂紋清除干凈后進行修補焊接。

(2)沿裂紋走向將補強板點焊在裂紋兩側，然后將厚度為20mm、材質為Q235的加強筋板焊接到補強板，起到加固拉緊作用，然后將楔子板打入加強筋板中心孔內以增加加強筋板的拉緊作用。將加強筋板的間距控制在150～200mm，且在尾部裂紋后100mm處需多增加一塊加強筋板。

(3)在上下半部合縫板角焊縫處分別焊接一塊三角加強筋板，將合縫板與轉輪室母材連接到一起，起結構過渡和消除應力的作用(圖3)。

圖3 角焊縫臨時加固處理示意圖

在機組檢修時，采用轉輪室內外施焊的方法徹底消除裂紋，具體方法為：

(1)考慮到裂紋焊接處理過程中可能會使轉輪室合縫板密封槽產生一定的變形，故先在不拆吊轉輪室的狀態下處理非合縫板處的殼體裂紋。

(2)殼體裂紋處理前，割除臨時處理時合縫板角焊縫處的三角加強筋板，按原設計圖紙工藝要求焊寬度為20mm的角焊縫，并在兩側磨出R10的圓角后，再加焊一塊長50mm、寬30mm的補強板條，連接合縫板和轉輪室殼體，進行結構過渡。

(3)對于殼體裂紋，從內外兩側清除裂紋和臨時處理的補焊，對內腔裂紋磨出25～30mm的坡口，由內腔開始施焊，再從外側清根焊透。

(4)對于合縫板處的裂紋，先拆開上部轉輪室，進行合縫位置的裂紋清除和補焊處理，然后對合縫面和密封槽進行修模處理及裝配。

目前，電廠在完成3臺機組裂紋臨時加固處理的基礎上，已完成了對1#、2#機組裂紋的永久處理。運行觀察結果表明：3臺機組運行穩定，未發現新的裂紋。

4 結 語

燈泡貫流式機組作為當前開發低水頭資源的經濟適用性機型，已在國內外廣泛應用。但因其為臥式布置，承受交變應力，同時轉動慣量小，Tw/Ta值相應較大，水力振動對其影響亦較大[2]，如在結構和工藝上稍有欠缺，很容易造成轉輪室金屬構件產生裂紋，影響其正常安全運行，實為設計、制造人員必須考慮和注意的問題。

[1] 田海平，周 樂，馬廷武，張貴松.燈泡貫流式機組轉輪室結構安全研究[J].水力發電學報，2012，31(4)：227-231

[2] 梁湘津.洪江水電廠貫流式機組金屬結構問題探討[C].北京:第一屆水力發電技術國際會議論文集(第二卷)，2006．

(責任編輯：李燕輝)

2016-09-09

TV7;TV734;TV

B

1001-2184(2017)01-0108-02

李進博(1982-)，男，甘肅景泰人，副總經理，工程師，碩士，從事水電廠生產經營與管理工作；

易吉軍(1983-)，男，四川營山人，工程師，從事水電廠生產運行工作.