國產(chǎn)600MW水輪發(fā)電機磁軛T型切向鍵焊縫裂紋分析及處理

吳濤　陳育紅　唐淵

摘要：轉(zhuǎn)子被稱為水輪發(fā)電機組的心臟，其裝配質(zhì)量直接影響整個機組的安全穩(wěn)定運行。構(gòu)皮灘發(fā)電廠#5機轉(zhuǎn)子磁軛T型切向鍵焊縫開裂的現(xiàn)象，影響到機組安全、穩(wěn)定運行。通過分析了焊縫開裂的原因，并提出了具體的技術(shù)修復(fù)措施及采用加強支撐筋板的解決方案。通過實驗運行后機組運行工況優(yōu)良。對其它電站同類型機組切向鍵焊縫裂紋分析處理工作，具有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子磁軛;切向鍵;裂紋;支撐筋板

引言

構(gòu)皮灘發(fā)電廠#5發(fā)電機為東方電機廠設(shè)計、研發(fā)、制造，發(fā)電機采用具有立軸半傘型結(jié)構(gòu)，型號為SF600-48/13850。轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子中心體、圓盤式轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)、磁軛和磁極組成。圓盤式轉(zhuǎn)子支架由中心體和分瓣扇形支臂在工地組焊成整體，支臂下部設(shè)制動環(huán)板。轉(zhuǎn)子磁軛采用優(yōu)質(zhì)高強度鋼板（DER500）沖片迭壓而成，采用分段結(jié)構(gòu)，分上、下兩段，段間用間隔塊隔開，每段用高強度螺桿35CrMo把合成整體。同時還設(shè)置16個加強鍵增加磁軛的整體性，將兩段連成整體。磁軛與轉(zhuǎn)子支架采用熱打鍵的連接方式，在轉(zhuǎn)子支架上均勻設(shè)有16個大立筋，用16對磁軛鍵固定以及若干調(diào)節(jié)鍵調(diào)整大立筋與磁軛鍵之間的間隙。轉(zhuǎn)子磁軛還設(shè)置上下各16對切向鍵傳遞扭矩。

1 切向鍵焊縫開裂現(xiàn)象

1.1轉(zhuǎn)子磁軛下部切向鍵焊縫開裂情況介紹

構(gòu)皮灘發(fā)電廠在2020年8月、10月對#5發(fā)電機重要金屬部分進行轉(zhuǎn)動部分中，檢查人員發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛下部T型切向鍵與搭塊焊縫間焊縫出現(xiàn)裂紋，裂紋靠近切向鍵側(cè)。經(jīng)與主機廠家溝通確定方案后，打磨清除裂紋，作增大焊腳處理。

2021年汛前檢修時檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛下部切向主鍵與搭塊焊縫間焊縫再次出現(xiàn)裂紋，包括10月進行處理后的切向鍵。其中共16件搭板，焊縫均出現(xiàn)不同程度的開裂，其中有2件搭板母材出現(xiàn)裂紋，如下圖1a所示。搭板厚度20mm，材質(zhì)為16Mn。兩側(cè)徑向焊縫為10mm角焊縫，切向焊縫為14mm深單側(cè)坡口焊縫，焊腳為10mm。

1.2 轉(zhuǎn)子磁軛上部切向鍵焊縫開裂情況介紹

#5發(fā)電機A修于2021年11月22日作115%過速試驗，在機組發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分檢查時發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛上部切向鍵搭板焊縫存在裂紋（下部切向鍵焊縫檢查無異常），已延伸及部分搭板母材，共有11處。通過仔細檢查11部位，發(fā)現(xiàn)裂紋在驅(qū)動側(cè)，部分切向主鍵下側(cè)向轉(zhuǎn)子內(nèi)圓側(cè)發(fā)生傾斜外移，見下圖1b所示。

2 存在的安全隱患

發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛切向主鍵搭板及轉(zhuǎn)子支架焊縫裂紋有以下3點安全隱患：

2.1機組頻繁啟停切向主鍵搭板焊縫裂紋會逐漸增大，甚至與轉(zhuǎn)子支架分離，完全失去傳遞扭矩的作用，影響轉(zhuǎn)子的動力不平衡性，嚴重會導(dǎo)致磁軛與轉(zhuǎn)子支架產(chǎn)生周向位移及磁軛與磁極的徑向位移，進而造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)及“掃膛”等重大事故;

2.2切向主鍵搭板焊縫全部裂開后，存在脫落的風(fēng)險，高速撞擊推力油槽，導(dǎo)致推力軸承及其附屬設(shè)備損壞或風(fēng)洞內(nèi)其它設(shè)備受損;

2.3切向主鍵搭板焊縫全部裂開后，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子支架在高速旋轉(zhuǎn)中承受巨大的不平衡力，易造成轉(zhuǎn)子支架受到不可逆轉(zhuǎn)的損傷。

3 切向鍵焊縫開裂原因分析

3.1 轉(zhuǎn)子磁軛下部切向鍵焊縫開裂

3.1.1 構(gòu)皮灘發(fā)電廠水輪發(fā)電機組屬調(diào)峰調(diào)頻的大型機械設(shè)備，在汛期調(diào)峰調(diào)頻工作需求情況下，機組頻繁啟停，經(jīng)常會處于低負荷或者靠近振動區(qū)域的負載下運行，機組振動非常大，以及停機時的超高線速度，對轉(zhuǎn)子的運行狀態(tài)有一定的不利影響。并且轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中，切向鍵作用是傳遞主要的扭矩并承受磁軛離心力及熱膨脹力的影響產(chǎn)生裂紋。

3.1.2 焊縫開裂位置為切向主鍵與搭塊間軸向限位焊縫（搭塊與轉(zhuǎn)子支架間焊縫未發(fā)現(xiàn)異常），原焊縫焊材為普通焊材，焊材延伸率偏小，機組投產(chǎn)已12年之久，該焊縫易發(fā)生疲勞開裂。

3.2 轉(zhuǎn)子磁軛上部切向鍵焊縫開裂

3.2.1 轉(zhuǎn)子磁軛切向主鍵在機組升速和降速的過程中均為驅(qū)動側(cè)承壓，過程中磁軛因膨脹和收縮，在磁軛切向主鍵與副鍵之間存在相對滑動或趨勢，存在較大的摩擦力，其作用重心與磁軛切向鍵搭板有較長的力臂，形成力偶，該力偶最終由搭板與轉(zhuǎn)子支架焊縫承受，該側(cè)焊縫受交變應(yīng)力影響，導(dǎo)致疲勞裂紋。

3.2.2 從結(jié)構(gòu)上分析，限位切向鍵支撐筋板細長，徑向?qū)挾炔蛔悖ㄎ囱由熘赁D(zhuǎn)子支架上環(huán)板）承力高度方向剛度太弱，造成受磁軛熱脹冷縮的交變應(yīng)力【1】影響，導(dǎo)致搭板與轉(zhuǎn)子支架之間焊縫裂紋延長。

3.2.3 從焊縫開裂情況分析，原磁軛切向鍵搭板焊縫可能存在焊接起弧缺陷。

3.2.4 在汛前檢修時，已對下部16對切向鍵焊縫進行氣刨清根打磨，并將其所有角焊縫焊腳尺寸增加15mm以上，下部焊縫強度得到有效增強，但機組在運行，上部切向鍵所承受的交變應(yīng)力使焊縫薄弱處內(nèi)部產(chǎn)生裂紋。并且機組檢修時，機組各部應(yīng)力得到有效釋放后，經(jīng)過多次開停機試驗及115%過速試驗時，切向鍵和搭板應(yīng)力水平、交變應(yīng)力幅更高，導(dǎo)致焊縫裂紋加大并有效體現(xiàn)。

4 切向鍵焊縫裂紋處理措施

4.1 轉(zhuǎn)子磁軛下部切向鍵焊縫開裂

4.1.1對下端16個轉(zhuǎn)子磁軛切向主鍵焊縫進行氣刨清根打磨，并在搭板短邊增加坡口，如下圖2所示。并將其裂紋已整條貫穿搭板的母材氣刨割除后更換新的搭板（Q345B），搭板與轉(zhuǎn)子支架焊接使用507焊條，與鍵焊接處使用316L焊條，焊縫根部使用φ3.2 焊條打底，每道焊后使用風(fēng)鏟錘擊清渣，起收弧應(yīng)錯開直角部位，切向主鍵與搭塊焊縫焊腳增大至15-16mm;

4.2 轉(zhuǎn)子磁軛上部切向鍵焊縫開裂

4.2.1 將所有搭板與轉(zhuǎn)子支架上環(huán)板開裂焊縫進行打磨清根，直至裂紋消失。

4.2.2 采用507焊條重新焊接，在焊接起始位置清根并加焊處理，經(jīng)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。

4.2.3 支撐筋板的裝配：按照設(shè)計圖紙，裝配支撐筋板，筋板與切向鍵和上環(huán)板間隙均勻，且控制“貼合越嚴密越好”，必要時進行打磨調(diào)整，錯口不大于1mm，垂直度不大于1mm，合格后搭焊固定。考慮檢修周期及原切向鍵長度已足夠，切向主鍵不考慮作復(fù)位處理，這樣可以使所有切向鍵受力不變，且基本均勻。

4.2.4對未裂紋處原切向鍵搭板焊縫，進行焊接起弧位置加焊處理， 確定出補強焊縫的區(qū)域，將該區(qū)域進行打磨露出金屬光澤，經(jīng)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。

4.2.5 焊接前，應(yīng)徹底清理去除補焊區(qū)域及支撐筋板位置處40mm范圍內(nèi)的油、銹、油漆等有害雜質(zhì)。

4.2.6 焊接順序：首先對支撐筋板立焊縫進行立向上焊接，焊接順序采用多道分段退步焊【2】，寬度不允許擺動，減少變形。并且焊接正反面筋板板時要正反面輪流焊，不可將焊角一次焊完。采用同樣順序焊接筋板與上環(huán)板的橫焊縫。除第一層和最后一層焊縫外，其他焊縫以錘擊方式消除應(yīng)力【3】。

5 結(jié)語

通過對#5發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁軛切向鍵焊縫裂紋原因進行分析處理，并根據(jù)按 DL/T 507-2014《水輪發(fā)電機組啟動試驗規(guī)程》【4】要求進行115%過速試驗、甩25%及100%負荷停機全面檢查轉(zhuǎn)動部分，檢查無異常。

本文以構(gòu)皮灘發(fā)電廠#5發(fā)電機轉(zhuǎn)子在生產(chǎn)運行中出現(xiàn)問題，并對所出現(xiàn)的問題進行了原因分析及制定了相應(yīng)的處理措施，消除了設(shè)備的重大缺陷，解決了機組運行中的安全隱患，為機組的安全穩(wěn)定運行提供了可靠保障，確保了構(gòu)皮灘發(fā)電廠#5水輪發(fā)電機組的長期穩(wěn)定運行，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，為企業(yè)的發(fā)展做出了貢獻。

同時對其他電站同類型機組起到警示作用，嚴格按照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項重點要求》制定相應(yīng)反措，并對該部位進行定期與系統(tǒng)檢查，及時消除隱患，及對其它電站同類型機組切向鍵焊縫已出現(xiàn)裂紋分析處理工作，具有一定的借鑒作用。

參考文獻

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