轉輪上冠貫穿性裂紋現場處理工藝探索應用

方戊強，李澤江，陳世程，邵飛燕

（四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610091）

1 概述

紫坪鋪電廠位于四川省都江堰市，距成都用電負荷中心約60 km，可承擔電力系統調峰、調頻、事故備用等任務。電站設計規模為760 MW，安裝有4 臺單機容量190 MW 的水輪發電機組，最高水頭132.76 m，最低水頭68.4 m。紫坪鋪電廠首臺機組于2005 年投產。紫坪鋪電廠轉輪由俄羅斯列寧格勒金屬工廠分包生產，型號為：HLPO140-LJ-485。轉輪共有11 個葉片，進口直徑：4 850 mm，出口直徑：4 807 mm，高度：2 907 mm。轉輪為鑄焊結構，上冠、葉片、下環材質均為ZG08Cr15Ni4CuMo 不銹鋼，轉輪在工廠組焊退火，整體運到工地。

2019 年4 月以來，紫坪鋪電廠機組陸續發現在某些特定水頭、特定負荷工況下出現異常振動現象，以1 號機組最為嚴重。1 號機組汛后B 修中發現轉輪上冠有貫穿性裂紋，通過精密的現場組織、合理的處理方案，最終在未吊出轉輪的情況下，快速完成裂紋處理。

2 紫坪鋪電廠1 號機組轉輪裂紋現場處理情況

2.1 裂紋情況

2019 年汛后1 號機組B 修過流部件探傷：滲透探傷（PT）檢查發現轉輪上冠與9 號葉片出水邊焊縫處有裂紋（焊縫走向如圖1 所示），長度約300 mm；隨后進行超聲波探傷(UT)檢查：裂紋首端即泄水錐內圓止口處，貫穿性裂紋深度約75 mm，裂紋末端深度漸變至8 mm；拆除泄水錐后上冠上表面PT 檢查發現裂紋斜上方存在一條約250 mm 裂紋，經UT 檢查確認上冠上、下表面裂紋為同一裂紋；轉輪上冠貫穿性裂紋自泄水錐內圓止口開始，經9 號葉片出水邊焊縫R 角，沿轉輪上冠徑向延伸，自上冠上表面斜向下裂穿至下表面，上、下表面裂紋橫向最大跨度約30 mm,裂紋最深約80 mm、長度約300 mm。

圖1 裂紋走向

2.2 原因分析

此處裂紋位置，不同于常見轉輪裂紋部位。追溯1 號機組轉輪探傷歷史記錄：①2018 年3 月，機組檢修期間進行過流部件探傷，轉輪葉片各焊縫均未發現裂紋；②9 號葉片探傷報關，無裂紋記錄；③9 號葉片汽蝕情況與其它葉片相似，且裂紋位置無嚴重汽蝕。

紫坪鋪電廠作為四川電網調峰、調頻電廠，距離成都負荷中心較近，2019 年4 月以前，四川電網與華中電網聯網采用大網運行，系統容量較大，電廠機組很少要求電廠投入AGC（自動發電控制）運行，電廠可根據實際情況，在負荷低時自主選擇機組停機；2019 年4 月～12 月，四川電網采用小網運行，系統容量較小，容易受到大負荷波動的影響，省調要求電廠機組投入AGC 運行，以便于調頻，在此期間內，特殊情況除外，機組不能停機。在AGC 模式下，電廠機組運行情況由省調控制，因此存在機組經常在惡劣工況下運行的情況。

自電廠投入AGC 運行后，2019 年6 月～11 月，發電機組異常振動明顯，并伴有異響。各專業聯合檢查未發現異常，后續跟蹤監測發現，異響及振動隨水頭變化在不同的負荷區間產生。通過現場勘查、歷史數據追溯、組織專家討論等方式，一致認為在特定工況下異常振動主要存在以下兩方面的因素：①由于電網運行方式的變化，導致機組無法規避水力設計缺陷帶來的異常振動問題。②廠房未全面考慮多重激振源帶來的影響[1]。

2.3 現場處理工藝

1 號機組轉輪上冠貫穿性裂紋，自泄水錐內圓止口沿徑向延伸,位置特殊，裂紋長且深，情況特殊。設備廠家建議吊出轉輪返廠處理，1 號機組B 修無轉動部件吊出檢修計劃，若返廠處理，則無法按期完成檢修；聯系檢修公司及周邊電廠，均未處理過類似問題，經充分論證決定現場處理。由于無類似裂紋處理經驗，邊探索邊處理。處理過程包含3 個難點：拆泄水錐，刨除裂紋，補焊打磨熱處理。

2.3.1 泄水錐拆除方式的選擇

此處裂紋位置如圖2 所示，處理前必須拆除泄水錐，并可靠固定。

圖2 裂紋位置

尾水管檢修平臺主梁、副梁均采用20 號工字鋁，均布載荷不超過250 kg/m2，總載荷不超過2 500 kg。紫坪鋪電廠泄水錐重3.75 t，遠超檢修平臺承載能力。根據機組結構特點，使用大軸補氣閥Φ325 補氣管作為起吊通道，可進行泄水錐起吊，在湊合節上焊接3 個吊點，可作為泄水錐臨時吊點。

將大軸補氣閥拆除后，在主廠房橋機上掛鋼絲繩、5 t 手拉葫蘆將泄水錐緩慢落下，泄水錐落至距檢修平臺約200 mm 時，橋機與3 個臨時吊點上的5 t手拉葫蘆配合，緩慢將泄水錐掛在臨時吊點上，最后捆扎手拉葫蘆鏈條，防止意外滑落。

2.3.2 刨除裂紋

防變形措施：為防止上冠在裂紋處理中變形，分別在裂紋兩端、上冠上下平面焊接筋板。筋板采用20 mm 厚鋼板制作，筋板中間切割出弦長約60 mm的弧形。

預熱：在上下平面裂紋周圍焊接掛點，設置加溫包，對焊縫外300 mm 范圍內預熱加溫至100℃～120℃。

開坡口：由于裂紋較深，對此處碳弧氣刨開45°雙V 坡口；下方裂紋補焊操作空間狹小且須仰焊，焊接質量較難控制，將上冠上方裂紋刨除深度約60 mm，待上方坡口補焊約35 mm 后，再刨除下方裂紋并清根；分層刨除裂紋時，每向下刨除一層前，須先在裂紋尾部刨出止裂孔：直徑不小于35 mm，深度不小于10 mm 圓孔[2]；同時，嚴格控制向下刨除裂紋的深度，不能超過止裂孔深度；沿裂紋走向氣刨刮出坡口大致形狀，整個過程中注意觀察裂紋延伸情況，將所有裂紋均刨干凈；根據裂紋走向，逐層向下刨除裂紋，并逐漸刨出坡口；開坡口過程中未發現裂紋向四周大面積擴散現象，坡口初步氣刨成形后，使用加長桿直磨機、合金鋼磨頭將坡口表面打磨至見金屬光澤，PT 檢查確認無殘留裂紋，再對坡口修整便于補焊。最終坡口上方最寬處約60 mm，最深處約60 mm；對上冠下方裂紋刨除并清根后，坡口最寬處約35 mm、最深處約30 mm。

2.3.3 堆焊及打磨

焊前準備：焊條采用與轉輪材質相近的HYUNDA 品牌S-309L.16Φ3.2 mm焊條，將焊條按要求烘干并保溫[3]。坡口堆焊時，電焊機電流控制在100～115 A。

焊接工藝：堆焊時先將坡口尾部止裂孔填平，自坡口尾部起焊，至坡口前端即上冠內圓止口終止；多層、多道堆焊，每堆焊一層后使用風鏟進行錘擊剔除焊渣、消除應力；上坡口堆焊約35 mm 后，開下坡口，對下方裂紋刨除、清根，并堆焊至超出上冠下表面，再次對上坡口堆焊至超出上冠上表面，坡口堆焊如圖3 所示；坡口前端部為焊縫收尾部分，此處可能存在質量缺陷，將坡口前端部刨除厚度不小于5 mm，并堆焊至超出上冠內圓平面；按照轉輪圖紙要求，堆焊出葉片焊縫R 角；補焊工作結束后，切除加強筋板并將上冠各平面打磨平滑，將葉片R 角打磨出形狀，PT 檢查、UT 檢查均正常；裂紋處理過程中，上冠上、下方補焊部位及向外300 mm 內溫度保持在100℃～120℃，處理過程中實時監測焊接區域溫度，根據情況停止堆焊或使用電加熱包加熱。

圖3 坡口堆焊示意圖

消氫處理：將主軸補氣管臨時封堵，用電加熱包對焊接部位加熱至300℃，設專人使用測溫槍實時監視溫度，恒溫保持4 h。然后用多層保溫被覆蓋裂紋處理部位自然冷卻。消氫處理結束48 h 后，對焊縫處理部位進行PT 檢查、UT 檢查均合格。

2.4 效果與應用

1 號機組上冠裂紋在15 d 內處理完成，未增加檢修工期。1 號機組于2021 年3 月、2022 年3 月進行C 修，期間對轉輪上冠裂紋處理部位進行PT 檢查，均正常。

2022 年5 月，3 號機組C 修期間，轉輪PT 檢查發現：3 號葉片上焊縫出水邊R 角處存在裂紋，自上冠內圓止口沿徑向向外延伸，長度約220 mm；將泄水錐拆下掛在臨時吊點后，對裂紋處進行PT、UT 檢查：轉輪上冠上面無裂紋，裂紋存在于上冠下面，自上冠內圓止口開始，穿過3 號葉片上焊縫出水邊R角沿徑向向外延伸，長度約220 mm，裂紋最深處約45 mm。由于裂紋較深，且電焊作業空間扭曲狹小，難以控制焊接質量，最終參考1 號機組上冠裂紋處理方法，在作業過程中，嚴格控制溫度并及時消除焊接殘余應力[4]，碳弧氣刨開45°雙V 坡口，補焊打磨，消氫處理48 h 后，對焊縫處理部位進行PT 檢查、UT 檢查均正常。在 5 d 內完成裂紋處理工作，按期完成檢修。

3 結束語

通過對紫坪鋪電廠1 號機組轉輪上冠貫穿性裂紋產生原因進行分析：盡量避開機組在振動區長時間運行，或改善機組運行工況，可有效避免此類裂紋的產生。目前，四川電網運行方式變化后，紫坪鋪電廠已采用強迫補氣技術手段，機組特定工況下異常振動的問題得到明顯改善[5]。

紫坪鋪電廠1 號機組轉輪上貫穿性裂紋較為罕見，裂紋處理方法得當，裂紋處理部位后續PT 檢查、UT 檢查均合格。這種轉輪上冠大深裂紋的現場處理工藝，可節約大量工期，減少不必要的損失，可供其他電廠參考。