某軸流轉槳式水輪機組轉子中心體焊縫裂紋原因分析與處理

吳正發，向 華，袁曙斌

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

某水電廠總裝機容量為150 MW，安裝3臺單機容量50 MW的ZZ-LH-5953型軸流轉槳式水輪發電機組，于2008年2月全部投產發電。該電廠轉子支架為圓盤式焊接結構，由1個中心體和6個扇形支臂外環組件組成，中心體由中心圓筒、上圓盤、下圓盤、立筋板等焊接而成[1]。轉子F2330中心圓筒（以下簡稱轉子中心圓筒）上端法蘭面板厚100 mm，材質為Q345B；轉子中心圓筒立筋板厚75 mm，材質為Q235A；上圓盤厚度25 mm，材質為Q345B。

電廠2號機組A級檢修無損檢測發現轉子中心圓筒立筋外側上端面法蘭與上圓盤板連接環焊縫（以下簡稱轉子中心體焊縫）發現32條裂紋，長度達1 940 mm。補焊后產生22條焊后冷裂紋，長度達1 365 mm。轉子支架是連接磁軛和轉軸的傳動承載部件，起著固定磁軛和傳遞轉矩作用[2]，其中心圓筒上法蘭面連接發電機上端軸，下法蘭面連接發電機主軸，是發電機軸系的重要部分[3]。本次發現的轉子中心體焊縫裂紋數量多、長度大，危害性極大，嚴重影響機組安全運行[4]，為降低焊縫反復處理對轉子結構強度的影響，避免轉子返廠家處理或者整體更換，進行了裂紋產生原因分析，完善處理措施和質量監控，消除轉子中心體焊縫裂紋[5]。

1 裂紋情況

某水電廠軸流轉槳式水輪發電2號機組A級檢修期間，磁粉檢測發現轉子中心體焊縫32條裂紋，裂紋總長度1 940 mm，單條裂紋最大長度約300 mm。轉子中心體共12個通風孔，除1號通風孔外，其他11個通風孔的中心體焊縫均發現大量裂紋（見表1），裂紋分布于焊縫及其熱影響區位置。裂紋清根后需要補焊長度達2 187 mm，最大深度為15 mm，焊接單條最大長度為250 mm。

表1 轉子中心體焊縫裂紋統計情況

電廠進行現場返修處理，焊接完自然冷卻至室溫24 h后，對補焊區域及熱影響區進行磁粉檢測，發現在補焊區域產生大量裂紋，數量達22條，總長度1 365 mm，最長200 mm。裂紋基本分布在焊縫坡口熔合線區域，裂口發亮，無氧化現象，呈典型焊后冷裂紋形貌。

2 裂紋原因分析

2.1 材質焊接性能分析

鋼的碳當量是將鋼中對焊接性能如淬硬、冷裂紋及脆化等有影響的合金元素（包括碳元素）換算成碳的相當含量，通過鋼的碳當量換算，能估算鋼的冷裂敏感性，有效指導制定預熱溫度、焊后保溫和焊接能量等焊接工藝規范[6]。

碳當量（CEV）計算公式[7]：

根據式（1）計算出2號機組轉子中心圓筒材質的碳當量CEV（%）為0.492%（見表2），高于《低合金高強度結構鋼》（GB/T 1591-2018）中公稱厚度63～150 mm的Q355B鋼的碳當量不大于0.47%的要求（Q355鋼級代替Q345鋼級）[7]。因此，該電廠2號機組轉子中心圓筒材質Q345B具有一定的淬硬和冷裂傾向，在現場焊接時，焊縫可能存在淬硬組織，有一定程度脆化和較高冷裂敏感性，應適當提高預熱溫度以防止裂紋產生。

表2 轉子中心體碳當量計算結果

2.2 焊接質量

現場檢查發現轉子中心體焊縫焊接質量較差，在裂紋產生區域存在大尺寸咬邊現象，焊縫內部存在氣孔、夾渣缺陷。表面缺陷會降低焊縫的疲勞強度，容易造成焊縫局部應力集中[8]，誘發疲勞微裂紋。轉子中心體現場組焊時，中心圓筒厚度大，冷卻速度快，產生大拘束應力，預熱和焊后保溫措施不規范，容易產生微裂紋。在機組運行中，焊接拘束應力釋放和交變應力作用下，上述微裂紋進一步擴展，形成大尺寸裂紋。

2.3 運行狀況

該電廠為電網骨干主調頻電廠，頻繁參與電網調頻調峰任務。機組投入AGC運行時，負荷頻繁通過強振動區，在強振動區運行頻次多，引起轉子構件振動和循環交替應力造成疲勞破壞[9]，尤其在轉子中心體焊縫應力集中和存在咬邊等焊接缺陷區域容易產生疲勞裂紋。

2.4 返修焊后裂紋原因分析

轉子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，無損檢測發現大量焊后冷裂紋，數量達22條，總長達1 365 mm，沿焊縫焊接坡口熔合線分布。綜合分析處理方案、焊接工藝和現場施焊情況，產生大量焊后冷裂紋的原因是焊接工藝不合理，未進行預熱，焊接方式選擇不合理（只選擇手工電弧焊，未考慮氣體保護焊），焊接過程未消應力處理，焊后未保溫，轉子中心體圓盤厚度大，冷卻速度過快，產生大焊接殘余應力和大拘束力。在上述兩種力的作用下，焊縫在其薄弱的焊接坡口熔合線區域拉裂。

綜合上述分析，該電廠2號機組轉子中心體焊縫裂紋的主要原因是低合金高強度鋼焊接工藝控制不佳，存在淬硬組織，焊接質量較差，存在容易引起局部應力集中的較大尺寸咬邊等缺陷，構件厚度大，焊接后冷卻速度快，產生大拘束力。以上現象的發生會降低焊縫疲勞強度，特別在應力集中區域，在拘束力和運行交變應力作用下，成為微觀疲勞裂紋源，進而擴展成為宏觀裂紋[10]。此外，機組AGC運行時，機組頻繁通過和處于強振動區運行，在長期的往復交替和周期循環應力作用下，裂紋在應力集中、咬邊等區域萌發和擴展。

轉子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，由于焊接工藝不合理，沒有進行焊前預熱和焊后保溫，焊接方式選擇不當，焊接過程未進行消應力處理，焊接殘余應力大，焊接后冷卻速度過快，產生大的拘束力，造成修補焊縫在焊接坡口熔合線區域裂開，產生大量焊后冷裂紋。

3 現場返修技術難點

本次檢測發現的轉子中心體焊縫裂紋數量多、長度大，現場大范圍的轉子中心體焊縫裂紋返修沒有可以遵循經驗，并且第一次返修后產生大量焊后冷裂紋，對現場返修方案和焊接工藝等提出更高技術要求。

3.1 變形控制和消除焊接應力措施

轉子中心體是精加工后的組合構件，焊前預熱、焊接和焊后熱保溫階段都會引起轉子中心體發生變形。由于現場焊接過程產生的殘余應力無法完全消除，會產生焊接變形[11]，尤其大范圍焊縫返修，轉子中心體變形量會更加明顯。此外，再次對焊縫裂紋位置進行返修，需要將第一次補焊區域焊接金屬和焊后裂紋區域進行全部挖凈、清根，使補焊范圍和焊接量增加，再次預熱、焊接和焊后熱保溫會增大變形量，增加變形量控制的難度。

焊接殘余應力和大拘束力是轉子中心體焊縫產生焊后冷裂紋的主要原因。大范圍的焊接、大厚度板材和惡劣的現場環境均增加消除焊接應力的技術難度。尤其上圓盤板厚大，剛性偏大，會限制焊接時焊縫收縮，產生大的拘束力[11]，可能產生焊后裂紋。因此，必須采取綜合措施，焊接應力才能達到良好消除效果，有效控制轉子整體變形和避免焊后冷裂紋。

3.2 焊接質量控制

焊接質量不佳是轉子中心體焊縫產生裂紋的重要原因，現場返修環境較差，溫度低、濕度大，焊接范圍大，作業空間狹小，人員焊接姿勢受限等均直接影響焊接質量。

3.3 焊接工藝控制

轉子中心體焊縫裂紋第一次返修后產生大量焊后冷裂紋，主要原因為焊接工藝不合理，并且焊接工藝的控制會直接影響轉子中心體變形情況，焊縫再次返修對預熱溫度、焊接規范、焊后熱保溫、冷卻速度和消應力處理等工藝控制提出更高要求。

4 裂紋處理思路和實施過程

4.1 裂紋處理思路

4.1.1 增加預熱和焊后保溫措施

轉子已精加工到位，預熱溫度過高會導致變形，預熱溫度低不利于改善材料的淬硬性能以防止裂紋產生。因此，在施焊接的前一天，將轉子中心體區域整體均勻加溫到位20～30℃。在施焊前，對補焊區域用火焰槍進行加熱至50～80℃，并用紅外測溫槍對補焊區域進行測量，精確均勻控制預熱溫度。焊接過程在轉子頂部和四周全覆蓋帆布進行保溫，焊接完成后立即使用厚石棉布覆蓋補焊區域，使得焊接部位緩慢冷卻。

4.1.2 改進焊接方法

所有補焊區域采用氬弧焊GTAW處理，補焊長度大于100 mm時，嚴格采取分段焊接的方法，以盡量減少焊接變形?？刂坪傅莱尚蜗禂担▽挾?厚度）為1.3～2.0（最佳范圍為1.4～1.6），防止產生熱裂紋。

4.1.3 開展焊接工藝試驗與評估

焊接前，廠家依據ASME標準完成焊接工藝評定，并在現場選擇1個通風孔內的轉子中心體焊縫裂紋按照處理方案和焊接工藝進行焊接試驗，處理合格后再對其他通風孔內的裂紋進行處理。

4.1.4 焊接過程消應力處理

采用風鏟錘擊消除焊接應力。在焊接第二層至倒數第二層過程中，每焊完1層后進行錘擊，使焊縫填充金屬在熱態下得到充分延展，降低冷卻收縮過程中的殘余應力，提高焊接的質量[12]，提高接頭疲勞壽命。此外，采用封邊焊道和短、薄、窄焊道的焊接方式降低焊接應力。

4.2 實施過程

按照以上裂紋處理思路對2號機組轉子中心體焊縫裂紋進行再次返修處理。

4.2.1 裂紋檢測和磨削坡口

角磨機清理焊縫和及其熱影響區，露出金屬光澤，進行全面磁粉檢測，對22條焊后裂紋位置、長度、分布等數據進行詳細記錄和存檔備查（第一次返修前的裂紋數據已經記錄）。首先根據兩次裂紋檢測記錄，使用角磨機對第一次返修補焊區域填充金屬和焊后冷裂紋進行全部清理干凈，進行磁粉檢測確認無任何缺陷.

根據焊接需要，修磨合適的焊接坡口，以提高焊接質量。磨削坡口時，從距離開裂端點20～30 mm位置起，向開裂方向磨削，坡口上角約35°，下角約10°，兩端約30°，根部圓度R≥10 mm。

4.2.2 焊接修補和質量控制

大范圍返修前，先對5號通風孔內的轉子中心體焊縫裂紋（2條，深度分別為4 mm和6 mm）返修處理，進行焊接方案和焊接工藝試驗與評定。

所有轉子中心體焊縫裂紋采用氬弧焊GTAW處理。補焊長度大于100 mm時，嚴格采取分段焊接的方法，以盡量減少焊接變形。保護氣Ar氣體純度為99.99%，流量10～15 L/min。層/道間溫度不超過220℃，防止由于溫度過高導致變形。

表3 氬弧焊GTAW焊接規范

焊道間嚴格清理，對焊道側面的形狀不良進行修磨，防止產生焊道間欠缺，引起焊接缺陷。嚴禁在補焊區域外引弧、熄弧，起弧和收弧填滿弧坑，防止產生弧坑裂紋。每條裂紋處理完成后，單獨對補焊區域進行磁粉檢測，確認無焊接缺陷。所有焊縫裂紋處理完成，且冷卻至室溫24 h后，再次對補焊區域進行整體無損檢測驗收。驗收合格后，對焊縫表面打磨，圓滑過渡，焊縫余高小于3.2 mm。

4.2.3 變形量監控和消除焊接應力措施

為準確監控返修處理過程中轉子變形量，在轉子中心體上表面加工面布置百分表監測焊接對加工面的影響，并在每個通風孔布置1個百分表，在焊前預熱、焊接、風鏟錘擊和焊后熱保溫階段隨時監測百分表讀數。采用兩人同時對稱焊接方式，防止中心體變形。焊接過程，變形量不能超過0.05 mm，根據監控的變形量數值及時調整焊接位置和順序。監控焊縫冷卻后，變形量控制在0.06 mm以內。

采取風鏟錘擊、封邊焊道與短、薄、窄焊道的焊接方式和熱保溫緩冷等措施有效降低焊接殘余應力和大拘束力。每連續焊接不超過兩道時，采用風鏟錘擊消應處理。除第一層和蓋面層外，所有焊層進行錘擊消應力，錘擊部位為焊縫金屬、熔合區和粗晶區，重點錘擊壓道和起始焊道的搭接部位。錘擊消應時，焊道溫度為100～150℃，錘擊保持均勻、適度，錘擊深度約0.5～1.0 mm，風壓為0.4～0.8 MPa。扁錘頭圓角1.0～1.5 mm，圓錘頭尺寸Φ8 mm。

采用封邊焊道方法，相鄰焊道焊接方向相反，防止應力疊加，產生側邊拉裂。采用短、薄、窄焊道的焊接方式，連續施焊長度不超過100 mm，焊道厚度不超過3 mm，焊道寬度不超過15 mm，而對于面域狀補焊區域采用跳/段焊接方式，連續施焊長度控制在100 mm以內，減小焊接應力。

由于轉子已加工到位，200℃×2 h熱處理溫度會導致轉子變形，現場不考慮再進行熱處理，而是在轉子頂部和四周全覆蓋帆布保溫，焊接完成后立即使用厚石棉布覆蓋補焊區域進行緩慢冷卻，防止冷卻速度過快，在大厚度轉子中心體圓筒上法蘭板產生大拘束力，而產生裂紋。

4.2.4 裂紋處理結果

2號機組轉子中心體焊縫裂紋根據上述方案和焊接工藝處理完成，補焊區域無損檢測未發現裂紋、未熔合、咬邊等缺陷，檢測結果滿足NB/T 47013.4-2015中的I級要求：線性缺陷磁痕顯示不超過1.5 mm，圓形缺陷磁痕顯示不超過2.0 mm（直徑，評定框35 mm×100 mm）[13]。2號機組轉子中心體焊縫裂紋成功處理，為1號、3號機組轉子中心體焊縫裂紋的現場處理積累技術和經驗。

5 結語

（1）某水電廠軸流轉槳式水輪發電2號機組轉子中心體焊縫產生大量裂紋的主要原因是低合金高強度鋼焊接工藝控制不佳，焊接時存在淬硬組織，焊接質量較差，存在容易引起局部應力集中的較大尺寸咬邊等缺陷，構件厚度大，焊接后冷卻速度快，產生大拘束力；此外，機組頻繁通過和處于強振動區，在大拘束力、長期的往復交替與周期循環應力作用下，裂紋在應力集中區域、咬邊等焊接缺陷處萌發和擴展。

（2）轉子中心體焊縫裂紋第一次返修處理后，產生大量焊后冷裂紋的原因是焊接工藝不合理，焊接方式選擇不當，產生大焊接殘余應力和拘束力，造成返修焊縫在其坡口熔合線區域拉裂。

（3）通過改進焊接工藝，包括增加預熱和焊后保溫、采用氬弧焊GTAW、變形控制和消應處理，有效處理轉子中心體焊縫裂紋問題。