燈泡貫流式機組轉輪室裂紋原因分析與處理

彭建平

（四川嘉陵江新政航電開發有限公司，四川 儀隴 637600）

貫流式水輪發電機組是當前一種常見反擊式水輪發電機組，廣泛應用于低水頭大流量的水電站。機組屬于臥軸結構，引水部件、轉輪、排水部件都在一條軸線上，水流平直通過轉輪葉片的臥軸、軸流式水輪機。燈泡貫流式機組的發電機組安裝在密封的、外形酷似燈泡的殼體中，水輪機安裝在燈泡的插口處，因此稱這種機組為燈泡貫流式機組。這種機組發電機主軸與水輪機轉輪水平連接。水流基本上軸向通過流道，軸對稱流過轉輪葉片，然后流出直錐形尾水管。機組的軸系支承結構、導軸承、推力軸承都布置在燈泡體內。由于燈泡貫流式機組適用水頭范圍廣，效率高，較其他類型貫流式機組有突出的優點，因而在國內外得到廣泛應用。

一、燈泡貫流式機組發電廠房的特點和發展狀況

國內低水頭水力資源十分豐富,尤其是華東、中南等沿海地區。燈泡貫流式機組水電站是開發低水頭水力資源較好的方式,一般應用于25m水頭以下,它與中高水頭水電站、低水頭立軸軸流式水電站相比,具有如下顯著的特點:(1)機組從進水到出水水流方向基本上是軸向貫通,過流通道形狀簡單、水力損失少、施工方便。(2)燈泡貫流式水輪機具有較高的過流能力和較大的比轉速,所以在水頭和功率相同的條件下,燈泡貫流式水輪機直徑要比轉槳式水輪機直徑小10%左右。(3)燈泡貫流式機組結構緊湊,與同一規格的轉槳式機組相比其尺寸較小,故可布置在壩體內,取消了復雜的引水系統,減少了廠房的建筑面積以及電站的開挖量和混凝土量。根據有關資料分析,燈泡貫流式機組發電廠房的土建費用可以節省20%～30%。近年來,作者所在的公司先后修建了多個閘壩類型的水電站,如武勝的秀觀水電站、南充的小龍門、鳳儀水電站、閬中的金銀臺、沙溪水電站、金溪的水電站、儀隴新政水電站等。以上水電站均采用了燈泡貫流式發電機組,其中最大的燈泡貫流式發電機組為金銀臺水電站,單機容量為40MW。

二、燈泡貫流式機組轉輪室裂紋原因分析

（一）轉輪室結構設計原因

新政電站貫流式機組水輪機轉輪室由于結構的特殊性，其上端側通過法蘭與外配水環固定相連，下端側嵌入補償節內，但又與補償節之間存在一定間隙，用以安裝伸縮節密封條，其結構類似懸臂梁式布置。那么，在機組運行中，由于機組振動，離上端固定支撐點越遠其振幅越大，對轉輪室破壞就越大。因此，對貫流式機組來說，轉輪室結構對強度要求很高；強度過低，轉輪室極易產生裂紋。同時，在重量方面，新政電站水輪機轉輪室總重量為27t，轉輪室內部最小直徑為6142mm，轉輪室長度為3000mm，比其他電站同類型同尺寸的燈泡貫流式機組轉輪室重量要輕許多，主要原因是新政電站轉輪室40mm的厚度比其他機組薄。而且，也有轉輪室內部過流面流線設計欠缺、運行工況較差等因素，使機組轉輪室內部過流面極易產生氣蝕，修復打磨造成轉輪室本體厚度減薄，影響轉輪室的強度，產生裂紋。

（二）裂紋產生原因分析：

1.轉輪室安裝結構類似懸臂梁式布置，加之轉輪室本體厚度偏薄，機組運行時離上端固定支撐點越遠其振幅越大，對轉輪室破壞就越大，容易產生裂紋。

2.焊縫質量可能局部存在缺陷，在機組振動使得對接焊縫區域反復受力，因疲勞導致缺陷擴展，產生裂紋。

3.焊縫相對集中，在“T”字焊縫接頭處存在應力集中現象，不能很好釋放因振動產生的附加應力及焊后的殘余應力，在焊縫應力集中處誘發裂紋。

三、裂紋處理

根據產生裂紋的原因分析結果，3f機組轉輪室裂紋使用現場焊接方式進行處理，嚴格按照施工方案及工藝執行，處理過程包括：（1）進一步確認裂紋的長度、深度等參數，為裂紋的完全處理奠定基礎；（2）對轉輪室本體焊接裂紋和筋板焊接裂紋進行處理；（3）焊接之后對焊縫磨平、探傷確認。

（一）對肉眼能觀察出裂紋的焊縫區域及附近500mm區域所有縱向和橫向焊縫按ASME進行100%UT探傷，確定焊縫的裂紋的長度和深度并進行標識，確保所有焊縫缺陷能全部檢測到，防止遺漏。

（二）轉輪室本體和加固筋板均有裂紋出現，需要分別對轉輪室本體和加固筋板進行焊接處理，待轉輪室本體焊接處理檢測合格后，再將轉輪室與筋板焊接為一體。

（三）探傷前需做好清理表面油漆及打磨探傷面的工作，探傷打磨區域由探傷人員指定；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，按工藝要求并預熱后封焊至1／2－2／3板厚度。由于轉輪室本體厚度為40mm，厚度較厚且為貫穿性裂紋，按照焊接工藝需要從內外兩側分別對轉輪室本體裂紋進行處理。

（四）為防止碳弧氣刨清理時裂紋延長，在遠離裂紋源30mm處打止裂孔，止裂孔可由鉆頭或碳弧氣刨槍進行，止裂孔大小為φ20，共4處，其示意圖如下：

（五）采用電加熱器或采用火焰方式，對開裂處焊縫及周圍100mm區域預熱至50℃，用碳精棒將其缺陷清理干凈（清理方向：從兩端裂紋源往中間清理），然后采用砂輪機打磨方式，將滲碳層干凈，對未清穿透的焊縫，清理后按ASME標準進行PT探傷，檢查裂紋是否清理干凈。

（六）為控制焊接變形，將開裂處或缺陷焊縫（包括探傷檢查出的裂縫擴展區）處的坡口形式處理成 “X”型，角度為50°。用碳弧氣刨槍清理焊縫外側，深度為板厚的2/3，并焊接約20mm深，從內側清根，清理后按ASME標準進行PT探傷（溫度降至室溫作PT）,確認焊縫裂紋清理干凈。焊接前，預熱溫度為70℃。焊接時應在距離焊縫兩側350mm架設2只百分表監測焊接變形。（焊接采用CHS042O焊條）

（七）根據現場實際情況，安裝軸流風機做好通風換氣等安全保障工作，保護工作人員人身安全；用石棉布作好轉輪體的保護工作，防止鐵屑、焊接飛濺物等雜質進入轉輪槳葉根部與轉輪體形成的間隙內，防止槳葉動作時拉傷配合面。

（八）焊接時先焊接滿內側坡口,外側坡口清根后焊滿；為了保證焊接質量，控制焊接變形，應將焊縫分為2段進行；對每小段之間的焊縫接頭處，必須進行清理打磨，每層焊縫之間的接頭應錯開至少20mm。

（九）除底層和蓋面層外，每焊一層均應即時錘擊以釋放焊接應力和防止變形過大；焊接后采用保溫毯保溫緩冷，冷卻至室溫后打磨焊縫，并在24小時后按ASME標準進行UT+PT探傷。

（十）轉輪室所有檢查出的裂紋焊接完成并探傷合格后，應分4個方向檢查轉輪室直徑尺寸；盤車檢查8個方向槳葉間隙，保證槳葉間隙在合格范圍內，防止機組運行時轉輪槳葉與轉輪室發生摩擦。

（十一）按上述要求處理合格后，方可投入運行，在運行期間，應注意監測轉輪室修復處或其他區域有無裂紋再次出現在的，若再次產生裂紋應立即停機，重新處理。

3f轉輪室裂紋處理完畢后即刻投入試運行，在運行過程中發現機組振動過大，經新政電站與檢修公司討論后認為，轉輪室焊縫處可能因為應力消除不夠而導致變形，決定再次停機處理。事實上也證實了這個猜測，轉輪室內補焊的位置由于應力未消除到位發生形變，與槳葉的間隙過小，從而導致機組振動過大。對焊縫處重新打磨并測量槳葉間隙確認符合檢修標準后，3f重新進行試運行，振動過大的現象得到了消除。

之所以出現這種現象，是現場處理時轉輪室部件尺寸過大，回火很難達到要求，加之在倉促開機造成的。這也是這次搶修過程中經驗不足的表現，應當吸取教訓，以更好的積累經驗，為今后的檢修工作作出積極的指導。

結束語

燈泡貫流式機組目前已在國內得到廣泛應用，設備運行和檢修經驗的不斷積累，可以使設備設計和制造的工藝水平逐步提高，不斷改進設備性能，增強其可靠性和穩定性。本文列舉了燈泡貫流式機組檢修中所遇到的一種典型故障，并介紹了其分析處理和改進的方法，其中也包含了一些新型的檢修工藝和故障診斷方法，新材料的應用等，可以有效地提高檢修效率和檢修質量。據了解，嘉陵江流域閬中金銀臺水電站、逢安金溪水電站、儀隴新政水電站轉輪室結構基本一樣，三個電站轉輪室均出現過裂紋，有的部位是反復出現，如果只是對裂紋進行補焊處理，不能達到徹底消除設備安全隱患目的；為保證機組安全運行，以上三個電站與設計、制造成廠家最終達成更換轉輪室的方案，通過增加轉輪室壁厚、加寬轉輪室不銹鋼面積、轉輪室外部增加加強筋板等技術改造措施，目前已全部完成轉輪室更換工作，經過近5年運行觀察，以上三個電站均沒有出現轉輪室裂紋現象，徹底解決了機組運行時轉輪室出現裂紋的重大安全隱患。