燈泡貫流式機(jī)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(jí)開(kāi)發(fā)規(guī)劃中的最后一級(jí)。電站安裝3臺(tái)單機(jī)容量34 MW的燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量102 MW,年發(fā)電量4.41億kWh。電站水輪機(jī)型號(hào)為GZ(836)-WP-535，由東方電機(jī)有限公司生產(chǎn)，機(jī)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(guò)法蘭上下連接，轉(zhuǎn)輪室母材為普通碳鋼Q235，喉部過(guò)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(zhǎng)度為2 582 mm，總重量為26 t。轉(zhuǎn)輪室上游側(cè)通過(guò)法蘭螺栓與外配水環(huán)連接，下游側(cè)嵌入補(bǔ)償節(jié)內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由3條環(huán)筋板和3條立筋板焊接而成，對(duì)整個(gè)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(jì)間隙3.5～3.9 mm。

2 機(jī)組問(wèn)題

紫蘭壩電站3臺(tái)機(jī)組于2006年全部投產(chǎn)使用，2016～2017年間，由于3臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)嚴(yán)重氣蝕，均對(duì)其進(jìn)行返廠處理。2018年12月，檢修人員發(fā)現(xiàn)1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室有漏水現(xiàn)象，隨即停機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室右岸加強(qiáng)環(huán)筋板連著立筋板發(fā)生1處斷裂，裂口長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)PT探傷顯示的裂紋實(shí)例圖。

圖1 轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋部位及長(zhǎng)度

3 原因分析

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

紫蘭壩電站貫流式機(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(guò)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(duì)轉(zhuǎn)輪室破壞就越大。因此，對(duì)貫流式機(jī)組來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度要求很高，強(qiáng)度過(guò)低，轉(zhuǎn)輪室極易產(chǎn)生裂紋。

同時(shí)，在重量方面，紫蘭壩電站水輪機(jī)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(zhǎng)度為2 582 mm，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，主要原因是紫蘭壩電站轉(zhuǎn)輪室40 mm的厚度比其他機(jī)組薄。而且，也有轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過(guò)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(guò)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(qiáng)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(jī)轉(zhuǎn)輪室母材和加固筋板為普通碳鋼Q235材質(zhì)，喉部過(guò)渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，為異種鋼材焊接結(jié)構(gòu)。整個(gè)轉(zhuǎn)輪室是通過(guò)焊接方式將普通碳鋼和不銹鋼拼接起來(lái)，兩種鋼材的成分和組織結(jié)構(gòu)不同，其機(jī)械性能和物理性能差異也很大，將其焊接在一起會(huì)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(wèn)題，故而造成轉(zhuǎn)輪室不銹鋼母材與筋板之間的焊縫開(kāi)裂。

3.3 機(jī)組振動(dòng)原因

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于卡門漩渦、狹縫射流、尾水管壓力脈動(dòng)、導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等因素造成水力振動(dòng)，是造成機(jī)組轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋的重要因素之一。通過(guò)查找紫蘭壩電站1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室之前振動(dòng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在水平方向振動(dòng)最大值為282.1 μm，垂直方向振動(dòng)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(dòng)不大于85 μm的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，用分貝儀測(cè)定轉(zhuǎn)輪室處機(jī)組振動(dòng)噪音值為100.3 dB,也大于不超過(guò)85 dB的設(shè)計(jì)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(qiáng)度

由2016年1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室氣蝕返廠處理檢修記錄得知：2016年，在對(duì)1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室回裝時(shí)為保證轉(zhuǎn)輪室與輪葉間隙的合格，對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行調(diào)整，重新鉆定位銷孔。在鉆定位銷孔時(shí)，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(duì)轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋板切割出一個(gè)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(gè)切割下來(lái)的鋼板被焊回原位置，由于在焊接切割板時(shí)沒(méi)有對(duì)切割面進(jìn)行磨光處理留下不平整的切割溝槽，焊材也沒(méi)有加工坡口，同時(shí)焊接工藝也存在很大問(wèn)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(qiáng)度大為降低。在機(jī)組振動(dòng)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(kāi)裂，一直沿著切割溝槽繼續(xù)擴(kuò)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(kāi)裂，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)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(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋使用現(xiàn)場(chǎng)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(guò)程包括：

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

(2)對(duì)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(duì)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(cè)(UT)和滲透檢測(cè)(PT)分別對(duì)轉(zhuǎn)輪室加固筋板、轉(zhuǎn)輪室本體裂縫位置進(jìn)行檢測(cè)，探明裂縫的走向、具體長(zhǎng)度、終點(diǎn)位置，并予以標(biāo)注。同時(shí)，對(duì)其它5處被切割過(guò)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(guò)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(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(jī)(630 A)1臺(tái)、碳弧氣泡機(jī)1臺(tái)、焊條保溫桶1套、手持式啟動(dòng)砂輪機(jī)1把、氧乙炔火焰加熱設(shè)備1套、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫槍1套、焊條烘干箱1臺(tái)、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(diǎn)位置，在裂紋兩端點(diǎn)的延長(zhǎng)線10～20 mm處進(jìn)行鉆孔處理，防止在用碳弧氣刨刨開(kāi)裂紋和焊接過(guò)程中裂紋繼續(xù)擴(kuò)散延伸；碳弧氣刨和焊接時(shí)，應(yīng)對(duì)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(duì)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(jiàn)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(duì)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(kāi)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)裂紋，刨開(kāi)深度約為轉(zhuǎn)輪室本體厚度的2/3(約25～30 mm)，刨開(kāi)寬度至容易施焊的位置。用手持式風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)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(cè)刨開(kāi)面有無(wú)無(wú)裂紋，檢查坡口是否符合要求。

焊前，還需用火焰對(duì)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(shí)，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(duì)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(kāi)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(dòng)砂輪機(jī)清理打磨，除去焊口內(nèi)氧化皮、鐵削等。然后，對(duì)刨開(kāi)位置及周圍進(jìn)行PT探傷處理，檢測(cè)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(guò)程隨時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)量值。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，僅離焊接位置較近的1、2號(hào)槳葉(見(jiàn)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(hào)槳葉與轉(zhuǎn)輪室間間隙沒(méi)變化。

表2 焊接前、后轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙測(cè)量值

轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理完畢，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理，保證表面粗糙度達(dá)到圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，然后對(duì)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(cè)，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(kāi)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(guò)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(kāi)，對(duì)切割位置進(jìn)行打磨處理，將原來(lái)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(shí)采取雙面焊接方法，保證焊接質(zhì)量，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)輪室加固筋板的強(qiáng)度。

4.3 焊接后檢測(cè)

焊接完成后對(duì)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(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行外觀檢查(目檢)合格后，再對(duì)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(cè)無(wú)焊接缺陷。

4.4 處理效果

1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋經(jīng)過(guò)處理后，在各種工況下運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪室本體及加固筋板無(wú)裂紋產(chǎn)生，各焊縫均無(wú)開(kāi)裂，運(yùn)行狀況良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

轉(zhuǎn)輪室是燈泡貫流式機(jī)組重要的過(guò)流部件，是轉(zhuǎn)輪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中由于過(guò)流造成的卡門渦帶、狹縫射流、壓力脈動(dòng)等不利因素，貫流式機(jī)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(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生得到啟示，在機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋處理過(guò)程中，后續(xù)工作中要重點(diǎn)要加強(qiáng)轉(zhuǎn)輪室各方面狀況的監(jiān)視和檢查，及時(shí)了解和掌握轉(zhuǎn)輪室的各項(xiàng)參數(shù)、指標(biāo)，讓轉(zhuǎn)輪室時(shí)刻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)，針對(duì)紫蘭壩電站3臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)偏大問(wèn)題，要及時(shí)開(kāi)展專題研討進(jìn)行分析、試驗(yàn)，找準(zhǔn)問(wèn)題的根源，給出經(jīng)濟(jì)、可行的解決方案，以提早解決轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)偏大的問(wèn)題，保證機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。紫蘭壩電站1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪室裂紋成功的處理方法，為解決其他機(jī)組發(fā)生類似問(wèn)題提供了借鑒和參考。