貫流式機組轉輪室水平法蘭裂紋防治問題研究

王 佩，陳 明

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 凌津灘電廠，湖南 常德 415731)

轉輪室是燈泡貫流式機組重要的過流部件，是轉輪進行能量轉換的重要場所[1]。轉輪室裂紋是燈泡貫流式機組的常見缺陷之一，目前已在紅花，百龍灘，貢川，株溪口，水口等多個電廠發現類似問題[2-3]。其中，凌津灘電廠的轉輪室為上下兩瓣式結構，通過水平法蘭上下連接，轉輪室球形段，過渡段和過渡段各有一道周向環筋。自機組運行以來，多臺機組的轉輪室都陸續發現裂紋，裂紋位置均為過渡段環筋與水平法蘭的連接處的焊縫位置，且經焊接修復后，裂紋仍反復出現，嚴重影響機組的安全穩定運行，裂紋位置如圖1紅圈內區域所示。

圖1 裂紋位置示意圖

1 裂紋原因分析

應力集中是凌津灘電廠轉輪室裂紋的主要原因之一，對轉輪室進行受力仿真分析發現，轉輪室整體受力變形最大位置位于水平法蘭球面端與過渡段之間，與裂紋實際發生位置一致，可以斷定，裂紋發生的主要原因為機組運行時，水平法蘭球面端與過渡段之間位置變形偏大，同時此處剛好為過渡段環筋的位置，轉輪室變形受到過渡段環筋的束縛，導致應力集中，轉輪室受力后總體變形的仿真分析如圖2所示。同時，由于轉輪室過渡段的材質與環筋的材質不同，轉輪室過渡段的材質為馬氏體不銹鋼鋼板0Cr13Ni5Mn，屈服極限為550 MPa，環筋的材質為40厚碳鋼鋼板Q235，強度極限僅為215 MPa，在兩種材料的相交處強度應按較弱材料Q235考核，環筋與水平法蘭連接焊縫相比強度偏低，導致機組運行過程中，在過渡段環筋與水平法蘭連接焊縫裂紋產生疲勞裂紋。

圖2 轉輪室受力總體變形圖

此外，凌津灘電廠的轉輪轉輪尺寸較大，轉輪直徑為6.9 m,而電站最大水頭僅為13.2 m，高程差造成轉輪室及葉片受力不均衡的比例較大。同時凌津灘電廠的轉輪室較長，為4.25 m，轉輪室整體剛強度偏低[4]，同時轉輪室內水體較重，也會造成轉輪室受力狀態不良。轉輪室受力狀況不良的主要反映為運行振動偏高，振動幅值隨機組負荷增加而增加，滿負荷運行時，電廠轉輪室振動值超過500 μm，國內同類型機組大部分振動在300 μm左右，轉輪室振動偏大影響轉輪室壽命，也是導致疲勞裂紋產生的原因。

2 環筋結構優化研究

針對轉輪室變形受到過渡段環筋的束縛導致應力集中及環筋結構強度偏低的問題，本文對環筋的結構優化進行了研究，核心思想是將過渡段環筋的合適位置割除一部分并替換為帶槽的高強度鋼板，通過開槽將應力進行釋放，從而降低轉輪室過渡段環筋與水平法蘭連接焊縫應力值，并減小轉輪室過渡段環筋與水平法蘭結構剛度，增加彈性變形量，避免應力集中，使其保證應力值控制在材料屈服極限的0.1倍左右，從而防止疲勞裂紋的發生。

本文結合仿真分析，對開槽的形狀，位置等進行了深入研究和對比分析，得出以下幾項研究成果：一是相對于V型槽和方形槽，半圓形槽仿真的應力情況最優，二是綜合考慮應力水平和施工難度，在轉輪室水平法蘭合縫面兩側各更加一個半圓形槽的方案最優，三是開槽位置離合縫面距離不能太遠，否則對改善環筋和水平法蘭合縫面焊縫處應力作用較小，同時為避免焊接對水平法蘭密封的影響，開槽距離以300～400 mm為宜。

綜合考慮以上研究成果，最終確定的過渡段環筋優化方案如圖3所示，在轉輪室水平法蘭與過渡段環筋位置分半面365 mm處，將舊環筋各割除400 mm，將其替換成材質為馬氏體不銹鋼的帶半圓形溝槽的高強度筋板，筋板周邊三個方向開坡口焊接。由于環筋與轉輪室本體的材質不同，焊接時應嚴格注意焊接工藝，選擇合適的焊條、焊接速度和焊接電流等，焊接完成后對焊縫進行無損檢測。半圓形槽的半徑為120 mm，既能獲得良好的應力釋放效果，又能保證環筋的強度。

圖3 環筋結構優化后示意圖

環筋優化后的仿真結果如圖4所示，可見，通過過渡段環筋結構優化，原裂紋產生位置，即轉輪室水平法蘭與過渡段筋板相交處的應力大幅降低，最大應力位置變更為筋板半圓形槽口底部位置，但由于該部位已更換為高強度不銹鋼筋板，屈服應力達到550 MPa，且最大應力處于筋板本體不在焊縫位置，不會產生疲勞裂紋。此外，新、舊筋板的焊縫位置應力水平也比較低，完全滿足Q235材料的使用要求。因此，該過渡段環筋優化方案可以有效避免疲勞裂紋的產生，且由于更換筋板的焊接位置與水平法蘭合縫面距離大于300 mm，焊接過程不會對水平法蘭的密封造成影響。

圖4 環筋優化后應力仿真圖

3 轉輪室減振研究

凌津灘電廠轉輪室為懸臂式結構，且受轉輪安裝空間限制，機坑長度(即水輪機懸空水體長度)設計相對較長[5],機坑長度與轉輪直徑之比為0.906，轉輪室長度與轉輪直徑之比為0.616。對我國近期相似貫流電站的懸空水體數據進行統計發現，凌津灘的機坑長度與轉輪直徑比和轉輪室與轉輪直徑比均為相似機組中的最大值，僅株溪口比值與凌津灘電站相近，但也小于凌津灘電站。株溪口電廠的轉輪室振動幅值也較大，達到252～514 μm，且株溪口電廠的轉輪室也曾發生過裂紋缺陷。發現過裂紋缺陷的東坪電廠與百龍灘電廠，懸空比也相對偏高。其中，部分電廠的統計數據如表1所示。

表1 我國近期相似貫流電廠的懸空水體統計數據

針對凌津灘電廠轉輪室懸空長度偏長導致受力狀況差，并進一步導致振動偏大的問題，電廠擬在后續的機組整體改造中，將轉輪槳葉與樞軸一體的結構更改為槳葉與分開的結構。這樣轉輪安裝時的限制尺寸就由轉輪的長度尺寸轉變為轉輪體的外徑尺寸，大大縮小了安裝限制空間尺寸。轉輪改造后，可以將下游側混凝土側墻向上游側增加1 m，機坑尺寸由6.25 m減小至5.25 m，并同時縮短轉輪室的長度，此時機坑長度與轉輪直徑之比降低為0.761，轉輪室長度與轉輪直徑之比降低為0.471。通過縮短轉輪室長度，可以提高轉輪室整體的剛強度，減少轉輪室內水體體積，降低水力因素對轉輪室振動的影響，改善機組的運行穩定性。

4 結 語

轉輪室是水輪機重要的過流部件，轉輪室裂紋若不進行防治，可能產生貫穿性裂紋，嚴重威脅機組的安全穩定運行[6-7]。本文針對裂紋產生的原因，對過渡段環筋結構進行了優化設計，并結合電廠后續的整機改造計劃，提出了轉輪室減振方案。其中，過渡段環筋優化方案實施后經觀察機組運行狀況良好，可以在其他同類型的裂紋防治問題中推廣應用。