灯泡贯流式水轮发电机组转轮室裂纹处理

灯泡贯流式水轮发电机组转轮室裂纹处理

吴华文

国家电投集团江西水电检修安装工程有限公司 341100

摘要：转轮室是水轮机重要的过流部件，其裂纹是灯泡贯流式机组的常见缺陷之一，若产生贯穿性裂纹，严重威胁机组的安全稳定运行。针对裂纹产生的原因，对过渡段环筋结构进行了优化设计，并结合电厂后续的整机改造计划，提出了转轮室减振方案。过渡段筋优化方环案实施后机组运行状况良好。

关键词：灯泡贯流式机组；转轮室；裂纹防治

1项目概况

某电站安装3台单机容量34MW的灯泡贯流式机组，总装机容量102MW，年发电量4.41亿KWH。电站水轮机型号为GZ（836）－ＷＰ－535，机组额定转速136.4r/mｉｎ，额定水头15.4m。该转轮室由上、下两瓣组成，通过法兰上下连接，转轮室母材为普通碳钢Ｑ235，喉部过渡段为不锈钢1Ｃr18Ni9Ti。转轮室内部最小直径为5350mm，转轮室长度为2582mm，总重量为26ｔ。转轮室上游侧通过法兰螺栓与外配水环连接，下游侧嵌入补偿节内，转轮室加强结构由3条环筋板和3条立筋板焊接而成，对整个转轮室进行箍式结构加固，环筋板和立筋板厚度分别为25mm和30mm，转轮室本体母材钢板厚度为40mm。转轮桨叶与转轮室的设计间隙3.5～3.9mm。

2裂纹原因分析

2.1转轮室结构设计原因

某电站贯流式机组水轮机转轮室由于结构的特殊性，其上端侧通过法兰与外配水环固定相连，下端侧嵌入补偿节内，但又与补偿节之间存在一定间隙，用以安装伸缩节密封条，其结构类似悬臂梁式布置。那么，在机组运行中，由于机组振动，离上端固定支撑点越远其振幅越大，对转轮室破坏就越大。因此，对贯流式机组来说，转轮室结构对强度要求很高，强度过低，转轮室极易产生裂纹。同时，在重量方面，某电站水轮机转轮室总重量为26ｔ，转轮室内部最小直径为5350mm，转轮室长度为2582mm，比其他电站同类型同尺寸的灯泡贯流式机组转轮室重量要轻许多，主要原因是某电站转轮室40mm的厚度比其他机组薄。而且，也有转轮室内部过流面流线设计欠缺、运行工况较差等因素，使机组转轮室内部过流面极易产生气蚀，造成转轮室本体厚度减薄，影响转轮室的强度，产生裂纹。

2.2转轮室材质原因

某电站水轮机转轮室母材和加固筋板为普通碳钢Ｑ235材质，喉部过渡段为不锈钢1Ｃr18Ni9Ti材质，为异种钢材焊接结构。整个转轮室是通过焊接方式将普通碳钢和不锈钢拼接起来，两种钢材的成分和组织结构不同，其机械性能和物理性能差异也很大，将其焊接在一起会出现可焊性差、难以融合、焊接残余应力难以释放、焊接接头发韧性低、焊接质量较差、而有夹杂气孔等问题，故而造成转轮室不锈钢母材与筋板之间的焊缝开裂。

2.3机组振动原因

机组在运行过程中，由于卡门漩涡、狭缝射流、尾水管压力脉动、导叶桨叶协联关系不正确等因素造成水力振动，是造成机组转轮室产生裂纹的重要因素之一。通过查找某电站1Ｆ机组转轮室之前振动数据，发现在水平方向振动最大值为282.1μm，垂直方向振动最大值为2183.７μm，其数值远远大于某电站转轮室振动不大于85μm的设计要求；同时，用分贝仪测定转轮室处机组振动噪音值为100.3ｄＢ，也大于不超过85ｄＢ的设计要求，严重超标。

2.4转轮室筋板切割、打孔以及焊接，降低转轮室筋板的强度

由2016年1Ｆ机组转轮室气蚀返厂处理检修记录得知：2016年，在对1Ｆ机组转轮室回装时为保证转轮室与轮叶间隙的合格，对转轮室进行调整，重新钻定位销孔。在钻定位销孔时，由于转轮室环筋板限制，钻定位销孔所使用的磁座钻不能安装到位，随即对转轮室环筋板切割出一个80mm×230mm的方形缺口（共切割6处），保证了磁座钻安装到位。定位销孔绞钻完成后，6个切割下来的钢板被焊回原位置，由于在焊接切割板时没有对切割面进行磨光处理留下不平整的切割沟槽，焊材也没有加工坡口，同时焊接工艺也存在很大问题，只采取了一面焊接，导致焊缝存在裂纹、夹渣、未焊透、未熔合等严重的缺陷，使转轮室筋板的强度大为降低。在机组振动的作用下，致使加固筋板焊接处的焊接缺陷逐步放大，最终显现出焊缝开裂，一直沿着切割沟槽继续扩展至加固筋板本体，使加固环筋板和立筋板受到严重影响，最后裂纹一直延伸至转轮室本体，造成转轮室本体贯穿性开裂，给机组安全运行带来很大的隐患。

3裂纹处理

3.1焊前探伤确认

分别用超声波检测（ＵＴ）和渗透检测（ＰＴ）分别对转轮室加固筋板、转轮室本体裂缝位置进行检测，探明裂缝的走向、具体长度、终点位置，并予以标注。同时，对其它5处被切割过的环形筋板位置也进行探伤，发现其它5处被切割过的环形筋板焊缝均存在裂纹、夹渣、未熔合等各种焊接缺陷。

3.2裂纹处理

转轮室本体和加固筋板均有裂纹出现，需要分别对转轮室本体和加固筋板进行焊接处理，待转轮室本体焊接处理检测合格后，再将转轮室与筋板焊接为一体。按工艺要求：贯穿性裂纹清理，须用碳弧气刨清理一面至2/3深度并形成焊接坡口，再打磨坡口表面，按工艺要求并预热后封焊至1/2－2/3板厚度。之后，进行背面清根，清根后目测缺陷是否完全清除（如判断不准可进行ＰＴ探伤确认）。由于转轮室本体厚度为40mm，厚度较厚且为贯穿性裂纹，按照焊接工艺需要从内外两侧分别对转轮室本体裂纹进行处理。

3.2.1焊前准备

3.2.1.1焊接工具准备

直流电焊机（630Ａ）1台、碳弧气泡机1台、焊条保温桶1套、手持式启动砂轮机1把、氧乙炔火焰加热设备1套、远红外测温枪1套、焊条烘干箱1台、焊接材料（φ3.2mm、φ4.0mmＡＷＳＥ309Ｌ焊条；φ3.2mm、φ4.0mmＡＷＳＥ７015焊条）、打渣器1套等。

3.2.1.2裂纹处理准备

将裂纹周围100mm范围内的油漆、铁锈、油污、氧化层等打磨干净，漏出金属表面；根据探伤标明的裂纹两端点位置，在裂纹两端点的延长线10～20mm处进行钻孔处理，防止在用碳弧气刨刨开裂纹和焊接过程中裂纹继续扩散延伸；碳弧气刨和焊接时，应对焊缝及相邻区域500mm区域进行保护，防止飞溅；按要求用焊条烘干箱对焊条进行烘烤。

3.2.2转轮室本体裂纹处理

用碳弧气刨刨开转轮室内侧裂纹，刨开深度约为转轮室本体厚度的2/3（约25～30mm），刨开宽度至容易施焊的位置。用手持式风动砂轮机清理打磨，除去焊口内氧化皮、铁削等有损焊接质量的杂质，检测刨开面有无无裂纹，检查坡口是否符合要求。焊前，还需用火焰对转轮室内部待焊区域及附近50mm范围内进行预热，温度为80℃。焊接时，采用手工电弧焊进行多层、多道焊接。除打底层和盖面层以外，对其余各层焊肉进行充分锤击以消除焊接应力。为了尽可能减少焊接缺陷的出现，焊接使用的焊条要按要求在烘烤箱内进行烘烤，并放在保温桶内避免受潮。转轮室内侧裂纹焊接完毕，用碳弧气刨刨开转轮室外侧裂纹，深度至裂纹全部刨除，且至内部焊肉漏出为止。裂纹刨除后，用手持式风动砂轮机清理打磨，除去焊口内氧化皮、铁削等。然后，对刨开位置及周围进行ＰＴ探伤处理，检测是否还有残留隐藏的裂纹未被刨除。探伤后进行焊接处理，焊接方法与转轮室内侧焊接相同。焊接过程随时监测转轮室与桨叶间隙。

4结语

转轮室是灯泡贯流式机组重要的过流部件，是转轮进行能量转换的重要场所。机组运行过程中由于过流造成的卡门涡带、狭缝射流、压力脉动等不利因素，贯流式机组转轮室容易出现汽蚀与裂纹等质量缺陷。从某电站1F机组转轮室裂纹的产生得到启示，在机组转轮室裂纹处理过程中，后续工作中要重点要加强转轮室各方面状况的监视和检查，及时了解和掌握转轮室的各项参数、指标，让转轮室时刻处于安全稳定状态。

参考文献

［1］柳超，方仲超.灯泡贯流式机组转轮室裂纹原因分析与处理［J］.四川水力发电，2019，38（2）：126-129.

［2］李俊娜.灯泡贯流式水轮机转轮室裂纹分析及改善方法［J］.水电站机电技术，2020，43（3）：7-8.