燈泡式機組轉子支臂裂紋原因分析及處理方法研究

梁 湘 津

（五凌公司洪江水力發電廠，湖南 懷化 418200）

前言

目前，我國大型燈泡式發電機組技術設計主要效仿歐洲同類機組，對于轉子等重要轉動部件在焊接力學參數選取、材料結構設計、安全系數配合等方面經驗數據不足，故在國內常見到燈泡式機組裂紋缺陷的研究報道。洪江水電廠投產采用的是當時國內單機容量最大、發電水頭最高的燈泡式貫流機組，但投入商業運行后不到2年時間便出現了轉子支臂裂紋問題。技術監督規程規定：存在裂紋缺陷的轉動部件不允許長期運行。為避免轉子返廠修理或者整體更換等不利局面，電廠必須盡快制定現場修復方案，并制定防止裂紋復發的專項措施。

1 發電機設備簡介

洪江水電廠位于洪江區上游4.5km處，是沅水梯級開發規劃的重要梯級工程，工程以發電為主，兼有灌溉、航運等綜合效益。電廠安裝有6臺當時國內最大的燈泡貫流式機組，單機容量 45MW，額定水頭20m。發電機基本參數見表1。

表1 發電機參數表

發電機轉子由轉子支架、磁軛和磁極等部件組成。轉子直徑為5289mm，轉子磁軛軸向長度2060mm，轉子重量98000kg；轉子支架為圓盤式焊接結構，是一個整體焊接件，支架重量 51000kg；轉子中心體材料為18MnMoNb，厚度為 100mm；筋板材料為 16Mn，厚度為20mm。

2 支臂裂紋前期處理

2003年，電廠在#3、#4、#5發電機轉子支臂檢查中發現轉子支架斜筋與輪轂之間的K型坡口及補強角焊縫表面存在多處裂紋，這些缺陷主要位于轉子支臂上、下游兩側并呈斷續狀分布于各處筋板焊縫中，部分裂紋已經母材延伸，部分檢查記錄見表2。

表2 組裂紋情況

發現轉子支臂裂紋缺陷后，電廠從材料強度、熱處理工藝等方面查找裂紋產生原因，進一步檢查發現：轉子支臂焊縫表面打磨質量較差，局部區域存在著尖銳的突起和凹陷，有未熔合、咬邊等現象。這些表面缺陷顯著降低焊縫的疲勞強度，容易引起焊縫局部應力集中，初步認定裂紋產生是由于轉子制造時焊接操作不規范所至。

2004～2005年間，電廠利用機組檢修機會，對轉子支臂裂紋進行處理。修復方案如下：

（1）焊接前用MT和UT檢測確認裂紋已清除干凈，并修磨焊接坡口角度40°左右。

（2）焊接前重新清理去除所有影響焊接質量的油、水、氣等有害物質。

（3）采用氧－乙炔火焰加熱方法將焊接坡口及其附近區域的母材均勻加熱至120℃～150℃，預熱溫度的測量點位于坡口邊緣10mm處。

（4）焊接方法：手工電弧焊，選用J507（f3.2mm）電焊條。

（5）焊后對表層焊道進行錘擊，以焊縫表面產生明顯的屈服為合格。

（6）打磨、補焊后24h，探傷人員對修補區域進行MT/PT探傷檢查。

2006年，隨著前期轉子支臂裂紋修補工作進行，探傷檢查又發現了裂紋復發等問題，主要表現為：筋板一側補焊時，另一側出現裂紋；焊后24h探傷時沒有裂紋，機組投運后再次探傷時發現裂紋；焊縫表面的橫向裂紋較修補以前數量更多。技術人員進一步改進焊接工藝，采用提升焊前預熱溫度和焊后保溫等方法。但在接下來的處理過程中，仍發生裂紋復發情況，說明該處理方案仍存在不足，未能從根本上消除裂紋產生問題。而且多次重復挖補、加熱、焊接轉子支架筋板焊縫，勢必造成焊接熱影響區金屬晶粒粗大，降低焊縫結構強度，嚴重的可能造成轉子支架整體變形、報廢，電廠必須盡快探索出一條支臂裂紋處理新思路。

3 轉子支臂裂紋原因深入分析

2007年，電廠邀請湖南省電力試研院專家開展了轉子支臂外觀檢測和探傷、母材與焊材金相分析。分析報告認為：16Mn鋼材主要組織為細晶鐵素體和珠光體，淬硬傾向比低碳鋼大。18MnMoNb屬于 Mn-Mo系含Mo鋼，它的強度級別較16Mn更高，合金元素含量較多，高溫轉變區較穩定，焊接冷卻下來很易得到貝氏體和馬氏體。因此，18MnMoNb其冷裂紋傾向隨著強度級別的提高而增大，對冷裂紋的敏感程度大于16Mn。此后，電廠又通過組織開展焊接性能分析、焊接工藝分析等一系列試驗和檢測，進一步加深了對轉子支臂裂紋原因的認識。

（1）轉子支架采用柔性筋板連接轉子中心體和磁軛，運行時交變應力通過筋板傳遞，筋板支臂焊縫成為轉子結構中應力最集中的部位。

（2）轉子中心體材料為18MnMoNb，筋板材料為16Mn，焊縫采用異種鋼焊接，支臂焊縫設計截面積與筋板厚度幾乎相等，焊縫強度設計明顯低于母材強度。

（3）機組運行時，轉子支架承受交變旋轉力矩、軸向拉伸力、電磁力等共同作用，修復后復發的裂紋多產生在焊縫熱影響區內，證明焊縫應對交變應力的疲勞強度設計不足。

（4）轉子支架生產工藝和工序管理不到位，焊縫存在內部夾雜和表面缺陷，極大降低了焊縫強度。

（5）焊縫熱影響區淬硬性比較明顯。按照碳當量計算公式（CE(IIW)）：CE(IIW)= C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)

表3 標準規定與發電機轉子中心體、支臂材料化學成分對比表

從表三中可以看出, 轉子中心體材料碳當量0.53%，而碳當量在0.4%～0.6%時淬硬傾向增加，冷裂紋敏感性較大，故母材焊縫淬硬傾向明顯，易產生冷裂紋，焊接時需要采取預熱措施。

在總結前期轉子支臂焊縫修復經驗的基礎上，電廠提出了裂紋處理新思路：增加焊縫高度和寬度，解決焊縫強度不夠等問題；采用超聲波沖擊消除焊縫殘余應力的新技術，對焊縫表面、焊址及焊接接頭強化處理以提高焊縫的抗疲勞強度；嚴格控制焊接工藝和工序，提高焊縫質量，改進焊前預熱、焊后保溫的時間和溫度，最大可能消除焊接冷裂紋傾向；焊縫表面打磨，采用模具保證焊縫圓滑過渡，避免應力集中導致焊縫開裂。

4 轉子支臂裂紋處理新工藝

電廠按照轉子支臂裂紋處理新思路制定了新的修復工藝：首先徹底磨除原焊縫裂紋；然后對于焊接坡口深度大于5mm時，采用手工電弧焊填平，焊接坡口深度小于5mm時以及咬邊、未熔合缺陷采用鎢極氬弧焊修補；接著采用J507焊絲在原轉子支臂焊縫處補焊兩層，加高焊縫3～4mm、加寬焊縫4～6mm，進一步提升焊縫強度；最后進行表面打磨，圓滑過渡。

（1）焊接工藝見表4

表4 焊接工藝表

（2）支臂裂紋處理注意事項

由于轉子角焊縫清除裂紋后坡口不規則，應采用對稱焊接，減小焊接變形。當焊接變形過大時通過調整焊接順序進行控制。焊接各層的焊接接頭部位應錯開。接頭處在進行下一段焊接前，先清除焊縫附近的焊接飛濺物。

焊接速度不宜過快。應清理焊接熔合區域、層間焊道及焊接接頭部位，避免產生夾渣等缺陷。焊道焊后應立即采用超聲沖擊設備，施以20000次/秒的高頻錘擊，消除焊接過程中產生的焊接應力，錘擊后的焊道表面應產生明顯的塑性變形。

對于兩側裂紋貫穿的焊縫，首先焊接筋板一側至15mm深，然后在另一側打磨清除裂紋，經PT探傷合格后，在另一側進行焊接至15mm深，然后兩面坡口進行交替焊接。

對于焊縫較長的焊縫和單側坡口焊縫要求分段退步進行焊接，每段長度為160mm左右，焊接方向先從里向外，后由外向里交替進行焊接。焊接過程中除表層焊縫外采用超聲錘擊消除焊接應力。

焊接過程中應監測轉子支架結構尺寸的變形量，焊接過程中根據百分表的平面度的變化情況，及時調整焊接順序和焊接部位，如軸、徑向局部變形量過大時，應停止焊接工作，分析原因并做出調整。

焊接修復的部位焊后需蓋保溫材料進行隔熱，以使焊接區域緩慢冷卻至室溫以免出現冷裂紋和延遲裂紋。焊接完畢后進行手工打磨，表面進行磨光至R16mm，表面粗糙度為6.3以上，使用R型專用模具對比監測，保證焊縫表面圓滑過渡，修復完畢24h后進行無損檢測。

5 結語

2008年底，洪江電廠按照轉子支臂裂紋處理新工藝先后完成了4臺機組裂紋處理，處理后檢測未發現裂紋，轉子整體變形控制適當，重要部位振動、擺度檢測無異常，機組投入運行。

2010年以來，電廠堅持定期進行轉子支臂探傷抽查，未發現焊縫裂紋有大范圍復發情況，通過兩個汛期長時間、滿負荷運行檢驗，電廠采用新方案處理的轉子支臂焊縫裂紋達到了預期的效果。

[1]胡天明, 潘榮寶, 等.超聲波探傷[Z]. 武漢:武漢測繪大學出版社, 1999.

[2]姜政權. 水輪發電機及其檢修[M]. 北京: 中國工人出版社, 1987.

[4]GB 50205- 2001, 鋼結構工程施工質量驗收規范[S].