燈泡貫流式機組轉輪室裂紋原因分析與處理

柳 超， 方 仲 超

(寶珠寺水力發電廠，四川 廣元 628003)

1 概 況

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市境內的白龍江干流上，是嘉陵江支流——白龍江干流梯級開發規劃中的最后一級。電站安裝3臺單機容量34 MW的燈泡貫流式機組，總裝機容量102 MW,年發電量4.41億kWh。電站水輪機型號為GZ(836)-WP-535，由東方電機有限公司生產，機組額定轉速136.4 r/min,額定水頭15.4 m。

該轉輪室由上、下兩瓣組成，通過法蘭上下連接，轉輪室母材為普通碳鋼Q235，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。轉輪室內部最小直徑為5 350 mm，轉輪室長度為2 582 mm，總重量為26 t。轉輪室上游側通過法蘭螺栓與外配水環連接，下游側嵌入補償節內，轉輪室加強結構由3條環筋板和3條立筋板焊接而成，對整個轉輪室進行箍式結構加固，環筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,轉輪室本體母材鋼板厚度為40 mm。轉輪槳葉與轉輪室的設計間隙3.5～3.9 mm。

2 機組問題

紫蘭壩電站3臺機組于2006年全部投產使用，2016～2017年間，由于3臺機組轉輪室出現嚴重氣蝕，均對其進行返廠處理。2018年12月，檢修人員發現1F機組轉輪室有漏水現象，隨即停機對轉輪室進行檢查發現，1F機組轉輪室右岸加強環筋板連著立筋板發生1處斷裂，裂口長度均為200 mm；筋板斷裂致使轉輪室本體母材也發生貫穿性裂縫，裂縫長度為400 mm，導致轉輪室內部流道內的水從裂縫中流出，造成轉輪室漏水發生，其中圖1為轉輪室產生裂紋現場PT探傷顯示的裂紋實例圖。

圖1 轉輪室產生裂紋部位及長度

3 原因分析

3.1 轉輪室結構設計原因

紫蘭壩電站貫流式機組水輪機轉輪室由于結構的特殊性，其上端側通過法蘭與外配水環固定相連，下端側嵌入補償節內，但又與補償節之間存在一定間隙，用以安裝伸縮節密封條，其結構類似懸臂梁式布置。那么，在機組運行中，由于機組振動，離上端固定支撐點越遠其振幅越大，對轉輪室破壞就越大。因此，對貫流式機組來說，轉輪室結構對強度要求很高，強度過低，轉輪室極易產生裂紋。

同時，在重量方面，紫蘭壩電站水輪機轉輪室總重量為26 t，轉輪室內部最小直徑為5 350 mm，轉輪室長度為2 582 mm，比其他電站同類型同尺寸的燈泡貫流式機組轉輪室重量要輕許多，主要原因是紫蘭壩電站轉輪室40 mm的厚度比其他機組薄。而且，也有轉輪室內部過流面流線設計欠缺、運行工況較差等因素，使機組轉輪室內部過流面極易產生氣蝕，造成轉輪室本體厚度減薄，影響轉輪室的強度，產生裂紋。

3.2 轉輪室材質原因

紫蘭壩電站水輪機轉輪室母材和加固筋板為普通碳鋼Q235材質，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質，為異種鋼材焊接結構。整個轉輪室是通過焊接方式將普通碳鋼和不銹鋼拼接起來，兩種鋼材的成分和組織結構不同，其機械性能和物理性能差異也很大，將其焊接在一起會出現可焊性差、難以融合、焊接殘余應力難以釋放、焊接接頭發韌性低、焊接質量較差、而有夾雜氣孔等問題，故而造成轉輪室不銹鋼母材與筋板之間的焊縫開裂。

3.3 機組振動原因

機組在運行過程中，由于卡門漩渦、狹縫射流、尾水管壓力脈動、導葉槳葉協聯關系不正確等因素造成水力振動，是造成機組轉輪室產生裂紋的重要因素之一。通過查找紫蘭壩電站1F機組轉輪室之前振動數據，發現在水平方向振動最大值為282.1 μm，垂直方向振動最大值為2 183.7 μm，其數值遠遠大于紫蘭壩電站轉輪室振動不大于85 μm的設計要求；同時，用分貝儀測定轉輪室處機組振動噪音值為100.3 dB,也大于不超過85 dB的設計要求，嚴重超標。

3.4 轉輪室筋板切割、打孔以及焊接，降低轉輪室筋板的強度

由2016年1F機組轉輪室氣蝕返廠處理檢修記錄得知：2016年，在對1F機組轉輪室回裝時為保證轉輪室與輪葉間隙的合格，對轉輪室進行調整，重新鉆定位銷孔。在鉆定位銷孔時，由于轉輪室環筋板限制，鉆定位銷孔所使用的磁座鉆不能安裝到位，隨即對轉輪室環筋板切割出一個80 mm×230 mm的方形缺口(共切割6處)，保證了磁座鉆安裝到位。定位銷孔絞鉆完成后，6個切割下來的鋼板被焊回原位置，由于在焊接切割板時沒有對切割面進行磨光處理留下不平整的切割溝槽，焊材也沒有加工坡口，同時焊接工藝也存在很大問題，只采取了一面焊接，導致焊縫存在裂紋、夾渣、未焊透、未熔合等嚴重的缺陷，使轉輪室筋板的強度大為降低。在機組振動的作用下，致使加固筋板焊接處的焊接缺陷逐步放大，最終顯現出焊縫開裂，一直沿著切割溝槽繼續擴展至加固筋板本體，使加固環筋板和立筋板受到嚴重影響，最后裂紋一直延伸至轉輪室本體，造成轉輪室本體貫穿性開裂，給機組安全運行帶來很大的隱患。

4 裂紋處理

根據產生裂紋的原因分析結果，1F機組轉輪室裂紋使用現場焊接方式進行處理，嚴格按照施工方案及工藝執行，處理過程包括：

(1)進一步確認裂紋的長度、深度等參數，為裂紋的完全處理奠定基礎；

(2)對轉輪室本體焊接裂紋和筋板焊接裂紋進行處理；

(3)焊接之后對焊縫磨平、探傷確認。

4.1 焊前探傷確認

分別用超聲波檢測(UT)和滲透檢測(PT)分別對轉輪室加固筋板、轉輪室本體裂縫位置進行檢測，探明裂縫的走向、具體長度、終點位置，并予以標注。同時，對其它5處被切割過的環形筋板位置也進行探傷，發現其它5處被切割過的環形筋板焊縫均存在裂紋、夾渣、未熔合等各種焊接缺陷。

4.2 裂紋處理

轉輪室本體和加固筋板均有裂紋出現，需要分別對轉輪室本體和加固筋板進行焊接處理，待轉輪室本體焊接處理檢測合格后，再將轉輪室與筋板焊接為一體。按工藝要求：貫穿性裂紋清理，須用碳弧氣刨清理一面至2/3深度并形成焊接坡口，再打磨坡口表面，按工藝要求并預熱后封焊至1/2-2/3板厚度。之后，進行背面清根，清根后目測缺陷是否完全清除(如判斷不準可進行PT探傷確認)。由于轉輪室本體厚度為40 mm，厚度較厚且為貫穿性裂紋，按照焊接工藝需要從內外兩側分別對轉輪室本體裂紋進行處理。

4.2.1 焊前準備

4.2.1.1 焊接工具準備

直流電焊機(630 A)1臺、碳弧氣泡機1臺、焊條保溫桶1套、手持式啟動砂輪機1把、氧乙炔火焰加熱設備1套、遠紅外測溫槍1套、焊條烘干箱1臺、焊接材料(φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E309L焊條；φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E7015焊條)、打渣器1套等。

4.2.1.2 裂紋處理準備

將裂紋周圍100 mm范圍內的油漆、鐵銹、油污、氧化層等打磨干凈，漏出金屬表面；根據探傷標明的裂紋兩端點位置，在裂紋兩端點的延長線10～20 mm處進行鉆孔處理，防止在用碳弧氣刨刨開裂紋和焊接過程中裂紋繼續擴散延伸；碳弧氣刨和焊接時，應對焊縫及相鄰區域500 mm區域進行保護，防止飛濺；按要求用焊條烘干箱對焊條進行烘烤。

4.2.2 焊接工藝規范

焊接電流、電壓的選擇與焊條直徑關系見表1。

表1 焊接材料與焊接電流參數

焊前預熱，用火焰加熱法對待焊區域及附近50 mm范圍內預熱，溫度≥80 ℃。

4.2.3 轉輪室本體裂紋處理

用碳弧氣刨刨開轉輪室內側裂紋，刨開深度約為轉輪室本體厚度的2/3(約25～30 mm)，刨開寬度至容易施焊的位置。用手持式風動砂輪機清理打磨，除去焊口內氧化皮、鐵削等有損焊接質量的雜質，檢測刨開面有無無裂紋，檢查坡口是否符合要求。

焊前，還需用火焰對轉輪室內部待焊區域及附近50 mm范圍內進行預熱，溫度為80 ℃。焊接時，采用手工電弧焊進行多層、多道焊接。除打底層和蓋面層以外，對其余各層焊肉進行充分錘擊以消除焊接應力。為了盡可能減少焊接缺陷的出現，焊接使用的焊條要按要求在烘烤箱內進行烘烤，并放在保溫桶內避免受潮。

轉輪室內側裂紋焊接完畢，用碳弧氣刨刨開轉輪室外側裂紋，深度至裂紋全部刨除，且至內部焊肉漏出為止。裂紋刨除后，用手持式風動砂輪機清理打磨，除去焊口內氧化皮、鐵削等。然后，對刨開位置及周圍進行PT探傷處理，檢測是否還有殘留隱藏的裂紋未被刨除。探傷后進行焊接處理，焊接方法與轉輪室內側焊接相同。焊接過程隨時監測轉輪室與槳葉間隙，表2為焊接前后轉輪室與槳葉間隙測量值。根據測量數據分析，僅離焊接位置較近的1、2號槳葉(見圖2)與轉輪室間間隙有微小變化，最大變化值為0.15 mm,3、4號槳葉與轉輪室間間隙沒變化。

表2 焊接前、后轉輪室與槳葉間隙測量值

轉輪室本體裂紋處理完畢，對焊縫進行打磨處理，保證表面粗糙度達到圖紙設計要求，然后對轉輪室本體修復區域按ASME標準進行100%PT探傷和100%UT探傷檢測，結果顯示轉輪室本體裂紋完全修復。

4.2.4 環筋板和立筋板斷裂位置處理

環筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,板材較厚且為貫穿性裂紋，亦采用雙面刨開焊接的方法。焊接方法與轉輪室本體裂紋處理方法相同。

4.2.5 筋板與轉輪室裂紋焊接處理

筋板為普通碳鋼Q235材質，筋板與轉輪室連接位置為轉輪室過渡段不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質，嚴格按照異種鋼材焊接工藝要求，將筋板與轉輪室焊接。焊接方法同轉輪室本體裂紋處理(圖2)。

圖2 轉輪室裂紋焊接處理后

4.2.6 溝槽和缺口的切割面磨平處理

將其它5處回焊但存在焊接缺陷的位置重新刨開，對切割位置進行打磨處理，將原來切割存在溝槽和缺口的切割面磨平處理，避免在尖銳和溝槽處出現焊接應力集中等焊接缺陷。施焊時采取雙面焊接方法，保證焊接質量，增強了轉輪室加固筋板的強度。

4.3 焊接后檢測

焊接完成后對焊縫表面進行打磨，保證表面粗糙度達到圖紙要求后進行探傷檢查。首先對修復區域進行外觀檢查(目檢)合格后，再對修復區域按ASME標準進行100%PT探傷和100%UT探傷，探傷結果顯示轉輪室本體及加固筋板裂紋已消除，焊縫檢測無焊接缺陷。

4.4 處理效果

1F機組轉輪室裂紋經過處理后，在各種工況下運行時，轉輪室本體及加固筋板無裂紋產生，各焊縫均無開裂，運行狀況良好。

5 結 語

轉輪室是燈泡貫流式機組重要的過流部件，是轉輪進行能量轉換的重要場所。機組運行過程中由于過流造成的卡門渦帶、狹縫射流、壓力脈動等不利因素，貫流式機組轉輪室容易出現汽蝕與裂紋等質量缺陷。從紫蘭壩電站1F機組轉輪室裂紋的產生得到啟示，在機組轉輪室裂紋處理過程中，后續工作中要重點要加強轉輪室各方面狀況的監視和檢查，及時了解和掌握轉輪室的各項參數、指標，讓轉輪室時刻處于安全穩定狀態。同時，針對紫蘭壩電站3臺機組轉輪室振動偏大問題，要及時開展專題研討進行分析、試驗，找準問題的根源，給出經濟、可行的解決方案，以提早解決轉輪室振動偏大的問題，保證機組的安全穩定運行。紫蘭壩電站1F機組轉輪室裂紋成功的處理方法，為解決其他機組發生類似問題提供了借鑒和參考。