某電站水輪機導流環脫落原因分析及處理

【摘?要】某水電站機組運行一年后停機檢修，發現座環導流環焊縫均不同程度出現裂紋，其中1號和2號機導流環有部分撕裂脫落，給轉輪葉片帶來損壞風險，從而影響機組安全穩定運行。導流板是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，還應有較大的剛度保證其穩定性和安全性。本文從結構和焊接質量兩個方面進行分析，查找原因確定有效處理方法，確保機組安全穩定運行。

【關鍵詞】水輪機;導流環;焊縫裂紋;脫落

1概述

某水電站采用堤壩式開發，電站廠房布置于壩后主河道，總裝機容量為3000MW，安裝5臺600MW的混流式機組。單獨運行時保證出力478.0MW、年發電量120.68億kW·h、年利用小時數為4023h。其中1～3號水輪機由通用電氣水電設備（中國）有限公司設計制造，4～5號水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。機組運行一年后停機檢修，發現座環導流環焊縫均不同程度出現裂紋，其中1號和2號機導流環有部分有脫落，給轉輪葉片帶來損壞風險，從而影響機組安全穩定運行。導流板是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，還應有較大的剛度保證其穩定性和安全性。本文主要從結構和焊接質量兩個方面進行分析，查找原因確定有效處理方法，確保機組安全穩定運行。

2 原因分析

2.1結構

機組水輪機座環導流環分上導流環和下導流環[1]。1～3號水輪機導流環為開口式結構見圖1，由28塊厚度為10mm鋼板卷弧后與座環環板焊接形成導流環，一長邊與座環通過焊接連接接，相鄰導流板之間通過弧形筋板焊接連接進行補強。4～5號水輪機導流環采取封閉式結構見圖2，由28塊厚度為10mm鋼板卷弧后兩長邊分別與座環環板和蝸殼焊接形成封閉的導流環，內部有加勁板進行補強，增加其強度及剛度。導流環的作用主要是使進人固定導葉的水流形成穩定的環流，平穩地過渡到固定導葉的進口[2]。

導流環的裂紋主要由交變載荷引起，在水流脈動壓力的變化所產生的不規則動載荷對導流板產生反復的水力沖擊作用下產生疲勞破壞。從結構上看，開口式結構的導流環，機組運行時水流直接沖擊導流板內外表面及加勁板上，至少三個面受到復雜的水力作用而疲勞破壞，導致1號、2號機導流環有部分撕裂脫落。而封閉式結構僅外表面受力，結構相對合理。

2.2焊接質量

經觀察發現，撕裂脫落和存在裂紋的導流板焊縫均為座環分瓣面處，為座環安裝焊接完成后工地安裝焊接的導流板接縫，說明焊接時沒有嚴格執行焊接工藝要求、焊接難度相對較大，導致焊接質量差。導流環材質為Q235A，座環上、下環板材質S355JO+N-Z35，因此導流板與座環環板為兩種不同材質的焊接，焊接工藝要求高，控制不到位容易產生裂紋等缺陷。

3 處理措施

3.1結構改進

結構改進主要針對開口式導流環，在每塊導流板頂部增設一塊材質與導流板相同橫向補強板如圖3示，增強導流環的結構強度，降低其疲勞破壞的頻率。導流板安裝前，先清理打磨導流板焊接坡口以及座環環板上相應位置。按對應的標記將相應的導流板安裝就位。檢查并調整導流板間過流面的錯牙，導流板過流面錯牙應不超過3mm，局部錯牙大于3mm。對不可調整的部位，如過流面側，采用1：4的焊縫過渡;對于非過流面側，采用1：3的焊縫過渡。

3.2焊接

全面導流環，如有焊縫開裂、弧形板嚴重變形的，則做好標記，對所有導流板與弧形筋板連接處尾端加焊長、焊角高度6～8mm進行加固。對僅存在裂紋的導流環采用炭弧氣刨的方式，將撕裂部位附近約10mm范圍刨除，并用砂輪機將焊口修磨光滑，留出焊接坡口。加強筋板與導流環環形接口部位也需要留出約10mm焊道。

3.2.1焊前準備

（1）焊條選用J507焊條。焊前焊條須經300～350℃烘焙1小時，烘焙后的焊條應保存在100～150℃的恒溫箱內，藥皮應無脫落和明顯的裂紋。

（2）焊前將坡口兩側50mm內油污、鐵銹、油漆等影響焊接質量的雜物清理干凈，并打磨坡口露出金屬光澤。

3.2.2焊接工藝

（1）焊接參數見下表1：

（2）焊縫焊接前預熱溫度為80℃，層間溫度不能低于預熱溫度，層間溫度≤250℃。

（3）焊接過程中除底層、表層焊縫不進行錘擊外，對其余各層焊縫逐層進行錘擊，減少焊縫的殘余應力。

（4）焊接過程中上、下層的焊縫的接頭處要錯開30mm～50mm。每道焊寬不大于焊條直徑的3倍。

（5）加強筋板焊接完成后，再進行導流板與座環、導流板板與加強筋板的焊接。

（6）焊接過程中，采用小焊條、多層、多道焊接，控制焊接質量以及焊接應力。

（7）焊接完成24h后，對焊縫進行外觀檢查和滲透無損檢測合格。

4結語

導流環是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，而且要有較大的剛度保證其穩定性和安全性。導流板的裂紋主要由交變載荷引起，在水流脈動壓力的變化所產生的不規則動載荷對導流板產生反復的水力沖擊作用下產生疲勞破壞[3]。對導流板裂紋和撕裂脫落原因進行分析，并制定解決方案。為以后相同廠家設計制造或同類型水輪機導流板結構形式時，及時改進或變更設計，提高設備可靠性，保證機組安全穩定運行，避免蝸殼內長時間作業，降低作業風險，減少檢修維護費用。

參考文獻：

[1] 哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1976.125-127.

[2] 段開林，張波.三峽左岸電站ALSTOM機組導流板應力試驗研究[J].水電站機電技術，2007（12）：30（6）.

[3] 周書濤.水輪機蝸殼導流板靜力與動力分析研究 [J].華中科技大學碩士學位論文，2007（6）.

作者簡介：

李進強（1983-）男，彝，云南.景東，本科，工程師，從事金屬結構設備及水輪發電機組運行維護技術管理。

（作者單位：大唐觀音巖水電開發有限公司）