緊水灘水電站2號水輪機轉輪引水板裂紋處理

袁守懷，方 強，張廣華

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘水電站2號水輪機轉輪引水板裂紋處理

袁守懷，方 強，張廣華

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

介紹了緊水灘水電站2號水輪機轉輪引水板檢查過程以及在發現裂紋以后的處理經過，并對該裂紋產生的原因進行了深入的分析，在處理過程中采用了一種非常規的處理方法——加工應力釋放工藝孔及伸縮縫，成功處理了缺陷，對類似缺陷處理有一定借鑒意義。

水輪機轉輪；引水板裂紋；應力釋放孔；分析處理

1 概述

緊水灘水力發電廠位于浙江省云和縣境內，總裝機容量378 MW，其中緊水灘水電站300 MW，石塘水電站78 MW，屬甌江上游大溪支流龍泉溪一、二級開發的水電站。一級站緊水灘電站裝有6臺混流式水輪發電機組，分別投產于1987年和1988年，其中水輪機參數如下：

型號：HL220-LJ-300

制造廠家：杭州發電設備廠

設計水頭：69 m

最大水頭：85 m

最小水頭：60.5 m

額定流量：84.7 m3/s

設計出力：51 500 kW

最高出力：51 500 kW

最低出力：42 019 kW

額定轉速：200 r/min

上冠材料：ZG20SiMn

減壓板材料：Q235

2 問題提出

緊水灘電站1號機組在運行時發現頂蓋處有異常金屬撞擊、摩擦聲，立即停機檢查。在機組解體后發現機組頂蓋減壓板已局部脫落、轉輪引水板已撕裂。經省公司、我廠、設備制造商三方技術人員現場檢查分析后，決定將頂蓋、轉輪返廠重新加工引水板、減壓板，檢修方式由搶修改為擴大性大修。基于1號機組問題的嚴重性，省公司要求我廠在汛期來臨前對緊站其余水輪機的引水板、頂蓋減壓板進行全面檢查。

在對2號機組水輪機的引水板、頂蓋減壓板檢查時，將頂蓋減壓板、轉輪引水板清掃干凈，用擊打辯音法及著色目測法檢查，發現轉輪引水板與上冠焊接環縫局部開裂，長度達1/2周長，用超聲探傷檢查發現，發現焊縫虛焊長度達焊縫總長90%，減壓板本體無異常。

3 原因分析

上冠的材料為ZG20SiMn，而引水板材料為Q235，鑄鋼的焊接性能相對差，對焊縫強度有一定影響。

上冠與引水板的焊縫為環形閉合型焊縫，其內應力無法釋放，由于引水板的材料焊接性能較好，因此機組在整體加工過程中,并未做消應處理,在機組投運初期，不會產生裂紋，但經過長期運行，尤其是在投入AGC運行后，機組長期處于振動區運行，頻繁的交變應力與內應力共同作用，促使焊縫應力變形加劇，焊縫的疲勞強度小于設計值，焊縫壽命減小，會提前出現裂紋缺陷。

緊水灘機組自1997年10月起投入AGC方式運行后，機組經常運行在25～35 MW之間，正好在機組的兩個振動區10～25 MW和35 MW附近。機組在投入AGC方式運行一段時間后發現，機組運行狀況明顯變差，主要表現在導軸承擺度變大，機架及頂蓋的振動加劇，尾水管、大軸中心、頂蓋補氣比以前更加頻繁。如此一來，必將加大和加快機組構件的交變應力的大小和頻率，在應力集中處及缺陷（劃傷、夾渣、顯微裂紋等）處產生細微裂紋，這種裂紋稱為疲勞源，隨著時間的推移形成疲勞擴展區，當疲勞擴展區達到某一臨界尺寸時，構件就會在甚至低于彈性極限的應力下突然斷裂。而轉輪引水板與上冠焊接環縫處正是焊接應力集中的部位，長期運行在振動區附近，在較大交變應力的作用下產生細微裂紋，逐漸形成疲勞擴展區，最終發展成為我們所發現的如此長的一條裂紋。

4 問題的處理

對于這類問題，普通的處理方法是將其焊縫車削，開V形坡口后重新焊接，對于該焊接案例，如何在控制變形、保證焊接強度、保證轉輪靜平衡的前提下，盡可能釋放焊接應力是問題的關鍵，經省公司、電廠、設備制造商三方技術人員研究決定，對原引水板進行加工，增加8個直徑100 mm、均布的應力釋放工藝孔，并由工藝向外緣開4 mm寬、帶焊接坡口的伸縮縫，以盡可能減少環焊縫的焊接應力，焊接過程中注意采用消除應力方法。

4.1 引水板的加工

1）轉輪首先上車床，采用冷加工的方式車削去原環焊縫，并開出新的焊接坡口，坡口形式采用單邊V形坡口，坡口斜度為35～45°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為 2～4 mm，深度為 12～17 mm之間；

2）在距引水板邊緣130 mm環徑上加工8個直徑100 mm、均布的應力釋放工藝孔，圓孔采用單邊V形坡口，坡口斜度為35～45°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為 2～4 mm，深度為 12～17 mm之間；

3）由應力釋放工藝孔向外輻射開伸縮縫，坡口形式采用V形坡口，坡口斜度為60°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為2～4 mm，深度為12～17 mm之間。

加工后坡口進行打磨、修形，注意與上冠的吻合度，以保證周轉環焊縫坡口的均勻度。引水板加工示意圖如圖1：

圖1引水板加工示意圖

4.2 焊接工藝措施

1）將轉輪引水板及上冠坡口表面的油污、水分、銹蝕層清理干凈；

2）焊條采用的J507低氫焊條，焊條直徑采用φ3.2～φ4 mm；

3）焊條使用前經350～400℃，1～2h烘干；

4）焊條經烘干后做焊接試驗，沒有藥皮脫落和焊接表面有氣孔現象；

5）焊前先對焊接區域進行局部預熱,預熱溫度為100～200℃,以紅外線測溫儀進行現場監視；

6）焊機接法：采用直流反極性接法，即焊把接正極，轉輪接負極；

7）焊接引水板外圓與轉輪上冠連接處焊縫，要求由兩條伸縮縫中間向伸縮縫方向施焊，采用小電流，對稱、分段、退步（每步150 mm左右）焊接；

8）控制層間溫度和用錘子頻繁打擊焊縫消除應力；

9）加入直徑100 mm圓板（圓板周邊開V形坡口），焊接填補應力釋放工藝孔，注意板面平齊；

10）補焊伸縮縫，要求對稱焊接，錘擊消除應力；

11）焊接時，采用百分表隨時檢測轉輪上冠迷宮的變形量，隨時調整焊接方位和焊接速度。

4.3 檢驗

1）對焊縫進行修形，以打磨的方法使焊縫平整；

2）進行探傷檢查，要求達到3級標準要求，再次上車床加工焊縫與原平面接平，同時復測轉輪上冠內、外圓同心度；

3）轉輪做靜平衡試驗，要達到設計要求。

5 結束語

緊水灘2號水輪機轉輪引水板裂紋處理過程中所采用加工釋放應力工藝孔及伸縮縫的方法是一種非常規的處理方法，采用這種方法處理以后，很大程度上消除環焊縫的焊接應力，延長轉輪的運行壽命，本次處理歷時8 d，之后機組運行了一個大修周期，機組運行穩定，運行情況良好，證明了這次工藝方法對緊水灘2號水輪機轉輪引水板裂紋處理是非常成功的，對同類型問題的處理可以借鑒該方法。

與此同時，該工藝方法的工作難度較大，加工成本較普通方法略高；焊接量較大，轉輪靜平衡易超出設計要求，因此，在現場及不具備做平衡試驗的加工廠，只能參考該工藝方法。該工藝方法在一定程度上，釋放了一部分環焊縫的焊接應力，但殘留了部分應力，并且圓孔填補及伸縮縫補焊也會產生內應力，如果條件具備，可以考慮采用退火等消應力方法。

[1]蔡蘭.機械零件工藝性手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]劉家發.焊工手冊（手工焊接與切割）[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]杜國華.實用工程材料焊接手冊[M].北京：機械工業出版社，2004.

TK730.3+23

B

1672-5387（2017）11-0023-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.009

2017-08-30

袁守懷（1966-），男，技師，從事水電廠焊接及檢修維護工作。