轉子支架中心體內筋板開裂問題處理

洪德超

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

轉子支架中心體內筋板開裂問題處理

洪德超

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040)

根據水輪發電機轉子支架中心體內盤板發生開裂的現象，分析了轉子中心體焊縫開裂的原因，并提出了采用加強筋板使用更加均勻的解決方案，通過實驗表明，該方案切實可行。

水輪發電機；轉子支架； 筋板開裂； 焊縫

0 引言

立式水輪發電機是由轉軸、轉子支架、磁軛和磁極等結構組成。大型水輪發電機轉子支架尺寸較大，常把它分成中心體和若干支臂來制造，二者靠螺栓連接，支臂用鋼板焊接而成，斷面為工字型或封閉型，轉子中心體由輪轂、上下圓盤、立筋和合縫板組成。轉子質量的好壞直接關系到整臺發電機的運行，任何一絲一毫的裂紋引起的斷裂都會給電廠帶來嚴重的損失。

1 筋板開裂現象

2015年12月某廠對發電機轉子中心體部位進行了重點檢查，發現如下問題

(1)在3#、4#發電機轉子中心體內側筋板的焊縫根部檢查發現裂紋。發生裂紋的筋板未進行加強處理，3#機筋板為貫穿性裂紋見圖1。

圖1 3#機中心體內側筋板裂紋

徑向長度約730mm，4#機筋板同一位置貫穿性裂紋長度約15mm。

(2) 在2#發電機轉子中心體內側筋板與延長后加厚加強塊焊縫處發現兩塊焊縫存在裂紋。

2015年12月23日，技術人員對該問題進行初步分析和處理，并決定采用補焊修復的方式進行恢復處理。但補焊后經過短時間運行后又出現淺表性裂紋，因此需要對該問題進行進一步的分析。

2 筋板開裂問題分析

2.1 第一次筋板開裂現場情況介紹

某電站3#機與4#機停機檢查時均發現中心體立筋焊縫出現開裂情況，中心體筋板布置如圖2所示。

圖2 中心體筋板布置

與4#機相比，3#機的焊縫質量普遍較差，且起吊板與立筋的焊接方式不同，如圖3所示。

圖3 起吊板焊接形式

3#機立筋開裂在有轉子引線的1號立筋上，且斷口兩邊錯位，估計是焊接熱影響區存在殘余應力。4#機同樣的位置也出現了從內向外走向的裂紋，通過對比1號立筋180°對稱位置的立筋卻沒有裂紋，3#機起吊板與立筋之間的豎直焊縫都出現了裂紋，從裂紋的走向來看，裂紋擴展的方向是從上到下的。而4#機同樣的位置沒有發現裂紋。

2.2 第一次開裂原因分析

2.2.1 轉子支架載荷分析

轉子支架在運行過程中承受電磁力、重力和離心力作用，這些載荷主要由轉子支架支臂承擔，傳遞到中心體筋板的載荷很小，其應力水平較低。額定運行時的轉子支架應力分布如圖4所示，中心體筋板應力大約40MPa。最大應力出現在支臂下部，最大應力169MPa，滿足強度要求，因此，轉子支架在額定運行中，額定載荷不會對筋板產生破壞。

圖4 轉子支架額定工況應力分布

對轉子支架起吊方式進行模擬分析，考慮轉子支架、磁極、磁軛重量。研究是否因為起吊導致筋板焊縫初始破壞。起吊圖見圖5，起吊工況最大應力點位于中心體筋板位置，最大應力值為284MPa。

圖5 轉子支架起吊示意圖

2.2.2 中心體筋板開裂原因分析

通過對轉子支架6塊筋板(4長，2短)模型的起吊工況計算，得到中心體筋板的應力為284MPa，在材料的屈服極限之下，不會產生初始裂紋。但現場發現焊縫出現開裂，可能原因是起吊過程中，沒有足夠的螺栓預緊力，導致筋板受力不均勻，在起吊過程中筋板承受較高應力，使焊縫出現初始裂紋。在運行過程中，隨著機組交變載荷作用，裂紋逐漸擴展。

2.3 第二次筋板開裂情況介紹

第一次筋板開裂后，廠家組織對開裂筋板進行補焊，運行一段時間后發現上導擺度增大，停機后檢查發現焊縫位置又出現了淺表裂紋。

2.4 第二次筋板開裂原因分析

2.4.1 轉子支架載荷分析

通過對擺度數據分析，發現上導擺度數值偏大，懷疑上導徑向力通過轉軸對中心體圓盤產生附加彎矩，使中心體筋板承受交變載荷，導致焊縫出現疲勞裂紋。對上導徑向力是否會使中心體筋板產生疲勞進行分析。建立頂軸、中心體模型，計算在徑向力作用下中心體筋板的應力分布。分別計算載荷施加+X和+Y兩個方向的應力，取筋板的最大應力進行對比，如圖6所示。

圖6 上導徑向力作用示意圖

對2種結構形式應力進行了計算，計算結果見表1，可見2種形式的筋板應力水平都不是很高。兩種結構的應力值對比，模型矢量計算詳見圖7、圖8。

表1 兩種結構的應力值對比

圖7 6個短筋結構的應力分布

圖8 原結構4長，2短，開人孔結構的應力分布

通過模型計算可見，在上導徑向力作用下，最大應力出現在中心體立筋板與中心體上圓盤焊縫位置，按照極端情況考慮最大應力僅為46MPa。但增加加強筋板能夠影響應力分布狀態，使應力分布更加合理。

2.4.2 中心體筋板開裂原因分析

第二次焊縫開裂原因可能為上、下圓盤的剛度偏大，而中心體立筋的剛度偏小，導致焊接時上下圓盤的拘束狀態過強，中心體立筋補焊以后，焊縫軸向收縮受限，產生了較高的軸向拘束應力，在疊加上導的徑向力產生的附加彎矩，導致焊縫出現開裂。

3 筋板裂紋問題處理方案

為盡量減少轉子中心體內筋板的受力，我們采用將筋板加強的方案，要求所有焊角必須打磨成圓滑過渡，如圖9所示，其中有無起吊塊位置均以此為參考。

圖9 筋板加強方案的轉子中心體內筋板的受力情況

具體操作方法

(1)按“前期”焊接返修時采取的防護措施對操作現場各部件進行防護，拆卸妨礙焊接的轉子引線。

(2)確定出補強塊接觸的區域，將該區域進行打磨露出金屬光澤，經PT探傷檢查無任何缺陷，PT探傷檢查標準按ASME第Ⅷ卷附錄8進行。

(3)有轉子引線的筋板與上環板焊縫端部，采用碳弧氣刨去除立面圓根焊縫，以便補強塊與筋板貼緊。氣刨后打磨去除滲碳層至露出金屬光澤，經PT探傷檢查無任何缺陷，PT探傷檢查標準按ASME第Ⅷ卷附錄8進行。

(4)補強塊裝配：按設計圖紙，裝配補強塊，補強塊與筋板和上環板間隙均勻且控制“貼合越嚴密越好”，必要時通過打磨進行調整，錯口不大于1mm，垂直度不大于1mm。合格后搭焊固定。

(5)焊接前，徹底清理去除補焊區域及其20mm范圍內的油、銹、水、油漆、探傷劑等有害雜質。

(6)焊接順序：首先對補強塊立焊縫進行立向上焊接，每次焊一道，之后轉至下一塊，各補強塊循環交替焊接，此過程中每個補強塊兩面焊縫對稱交替焊接。直至完成所有補強塊的立焊縫。采取同樣順序焊接補強塊橫焊縫。每道橫焊縫焊接方向為由中心向外施焊。

(7)焊接方法采用氣體保護焊。

(8)焊接材料: Φ1.2mm GB ER50-6 焊絲。焊接規范見表2。

表2 焊接規范

(9)盡可能采用小規范進行焊接，焊道寬度不大于12mm。

(10)對補強塊豁口與上環板接觸區域進行立面的封焊。

(11)焊接完成后，焊縫打磨光滑，對所有焊縫進行PT探傷，探傷檢查應在焊接完成后24h后進行，防止對延遲裂紋的漏檢。

探傷驗收標準

(1)PT探傷標準按ASME規程第Ⅷ卷附錄12及附錄8執行。

(2)修復報告。

(3)根據修復質量，完成探傷報告。

(4)評估修復質量，歸檔修復材料。

筋板加強方案的轉子中心體內筋板的受力補強后結構的應力計算(起吊時)見表3，從計算結果看，滿足強度要求。

表3 筋板的受力補強后結構的應力計算

轉子加固完成后如果需要重新盤車，按下列方案進行

(1)采用機械盤車方式，將盤車工具裝于機組上。

(2)機組轉動部分應位于機組中心，鏡板已調好水平，并使每塊推力瓦受力基本均勻。

(3)盤車用潤滑脂為無水純凈的豬油，或者專用盤車潤滑脂。

(4)調整上導軸瓦和水導瓦的單側間隙，一般為0.03～0.05mm，原則上能盤動越緊越好。

(5)在鏡板、上導軸承、法蘭、水導軸承處按逆時針方向分成八等分，各部分的對應等分點應在同一垂直線上，并做出標記和X、Y座標之標識。

(6)在各測量部位的X、Y座標上各裝設一塊千分表，千分表測桿應與所測部位表面垂直。

軸線檢查調整合格后，應復查彈性油箱受力，符合表4要求。

表4 鏡板允許的軸向擺度(端面跳動)

關于機組動平衡，因重新焊接轉子加強筋，導致轉子配重受到影響，待機組試運行時觀察各導軸承擺度，如有必要廠家將提供配重塊對機組重新進行動平衡試驗。

5 結語

轉子支架的尺寸安裝精度較高，且大型或巨型機組的轉子支架，因其質量尺寸較大，對整體剛性要求更高，且中心體圓盤的厚度與支臂的板厚相差較大，因此在焊接時往往重視如何控制焊接變形，而在焊接工藝上重視就略顯不足，轉子支架是承受力矩的轉動部件，焊縫質量關系到機組安全運行，因此焊縫質量必須嚴格控制。除此之外設計廠家還應考慮轉子各種工況下的應力均布，對應力集中點進行結構優化及調整，從而達到電站機組長期安全穩定運行的目的。

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Cracking Treatment of Inner Stiffener Plate of Rotor Bracket Centerbody

HongDechao

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

Based on cracking phenomenon occurred in inner stiffener plate of hydro-generator rotor bracket centerbody, this paper analyses the cracking reason of welding joint of rotor centerbody, and puts forward the solution which adopt stiffener plate to obtain uniform stress. The experimental result has proved that this scheme is practical and feasible.

Hydro-generator；rotor bracket；stiffener plate cracking；welding joint

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.02.11

TM307+.1

B

1008-7281(2017)02-0035-004

洪德超 男 1985年生；畢業于哈爾濱理工大學電氣工程系電機專業，現從事水輪發電機安裝指導工作.

2016-10-13