貫流式水輪機組轉輪室角焊縫裂紋原因分析和處理

李 雷，吳正發，羊 貴

（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）

1 引言

某水電廠安裝4 臺19.9 MW 燈泡貫流式機組，水輪機型號GZ（B113）-WP-640，最大水頭9.7 m，最小水頭3.0 m，額定水頭6.8 m。水輪機轉輪采用3片槳葉設計，水輪機重量458 t。轉輪室呈類似懸臂梁式布置，上游側通過法蘭與外配水環相連，下游側通過法蘭、壓環與伸縮節進行密封和固定，其上、下兩瓣通過法蘭和螺栓連接緊固[1]。因追求制造費用低，轉輪室壁厚均采用設計標準下限，比國外同直徑小5 mm，在轉輪直徑基本相同時，其水輪機重量較DIN 標準輕20%左右。

電廠3 號機組在2018~2020 年的3 年檢修中，其轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區域均發現裂紋。電廠其他機組轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區域也均發現過相同類型裂紋。機組轉輪室焊縫裂紋嚴重影響電廠的安全運行，應對裂紋的情況和產生的原因進行分析，采取有效處理措施，保證機組的正常運行。

2 轉輪室角焊縫裂紋情況

某貫流式水電廠3 號機組轉輪室-X 或X 方向的伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區域反復產生裂紋。2018 年檢測發現下瓣轉輪室-X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫1 處長度約80 mm 裂紋，2019 年檢測發現在2018 年裂紋處理補焊位置產生1處裂紋。2020 年4 月檢測發現上瓣轉輪室X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫1 處長度約60 mm 裂紋，由于機組處于汛期運行狀態，未開展消缺處理，監控運行。2020 年7 月，機組停機檢修，檢測發現上瓣轉輪室X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋已擴展到約75 mm，電廠組織完成裂紋處理。

圖1 轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結構圖

圖2 轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋形貌

3 轉輪室角焊縫裂紋產生原因

從轉輪室設計、結構、焊縫焊接質量、運行狀況和安裝工藝等方面分析裂紋產生的原因，以保障裂紋現場處理效果，達到從根本上處理轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋。

3.1 設計因素

電廠水輪發電機組屬于低價中標設備，未開展專項設計，套用國內某貫流式水電站轉輪設計，采用3 片槳葉結構，轉輪室壁厚選取設計標準下限，比國外同直徑小5 mm。在轉輪直徑基本相同時，其水輪機重量（458 t）比DIN 標準輕20%左右。轉輪室呈懸臂梁式，對其結構強度要求高，同時由于壁厚薄，水輪機重量輕，轉輪室結構強度減弱，穩定性降低，轉輪室在焊縫薄弱處容易產生裂紋[1,2]。

3.2 結構因素

轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫是轉輪室直錐段合縫法蘭、轉輪室本體、伸縮段合縫法蘭3者相交接焊縫，結構復雜，組合焊縫處屬于應力集中區域，超過疲勞極限位置先產生裂紋[3]。同時，由于轉輪室懸臂式結構，支持點在轉輪上游側，其尾部伸縮段合縫法蘭部位振動幅度大，而尾部伸縮段合縫法蘭、直錐段合縫法蘭的存在破壞結構連續性，約束轉輪室軸向振動和徑向振動行程，此處角焊縫在機組運行中承受較大交變應力作用而加速疲勞，進而產生裂紋。

3.3 焊縫質量因素

轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結構復雜，焊接時容易出現未焊透、未熔合、咬邊、焊縫表面成形不良等焊接缺陷，降低轉輪室焊縫強度[4]。現場裂紋缺陷處理時，受制于焊接位置操作空間小，現場環境差等因素，焊接質量更是難以得到有效控制，容易產生焊接缺陷。在機組運行的交變應力作用下，裂紋容易在焊接缺陷位置萌發和擴展。

3.4 機組運行狀況

由于渦帶振動、卡門渦列、狹縫射流、導槳葉協聯關系不準確等原因，機組運行中會造成水力振動，是引起轉輪室焊縫裂紋的重要因素之一[1,5]。轉輪室壁厚參數選取設計標準下限值，使其結構強度減弱，抗振動性能降低。電廠機組常用于電網調峰，監測發現機組經常處于或者頻繁通過不利工況負荷區域運行，加大尾水壓力脈動和水力不平衡載荷，引起轉輪室產生振動，造成轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫受到大的交變應力作用，加快角焊縫疲勞破壞[6,7]。

3.5 安裝工藝因素

轉輪室和伸縮節檢修時，為防止伸縮節漏水，檢修人員往往將伸縮節壓板螺栓過度擰緊，造成轉輪室振動行程嚴重不足，而受到過大的交變應力作用，造成伸縮節壓板螺栓斷裂或者轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫產生裂紋。

綜合上述分析，某貫流式機組轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫屬于應力集中部位，由于轉輪室壁厚選取設計標準下限值，壁厚薄，結構強度減弱，穩定性下降。此外，轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結構復雜，焊接質量較差，容易存在焊接缺陷。安裝時，伸縮節壓板螺栓容易過度擰緊，造成轉輪室軸向振動和徑向振動行程嚴重不足。由于上述不利因素存在，在機組運行振動交變應力作用下，轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫容易產生疲勞，造成裂紋在焊接缺陷位置萌發和擴展。

4 處理思路

針對轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫反復產生裂紋的情況，根據裂紋產生的原因，從以下幾個方面制定處理思路和措施。

4.1 加焊外加強筋和內側護板

轉輪室-X 和+X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫附近區域各加焊4 條加強筋，上、下瓣轉輪室各加焊2 條加強筋，以加強轉輪室伸縮節合縫法蘭與直錐段連接區域結構強度。在轉輪室產生裂紋部位所對應的內側過流區域焊接1 塊增強護板，鋼板尺寸（長×寬×厚）200 mm×250 mm×12 mm。

4.2 保證焊接質量

制定和選用合理的焊接工藝，選用高水平焊工，保證焊接質量，防止產生裂紋、未熔合、咬邊、氣孔、焊縫表面成形差等缺陷。焊接完成后對焊縫過渡區域進行修磨，保證圓弧過渡質量良好。焊接完成冷卻至室溫24 h 后，補焊區域無損檢測驗收合格。

4.3 改善伸縮節安裝工藝

由于轉輪室密封需要，其合縫法蘭有橡膠密封條，為防止破壞法蘭橡膠密封圈，造成伸縮節漏水，轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋有時無法全部清根。

針對由于伸縮節壓板螺栓過度擰緊，轉輪室受到強力約束，轉輪室振動行程嚴重不足而承受大的交變應力作用，造成伸縮節壓板螺栓斷裂或者轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫產生裂紋的問題，通過進一步改善伸縮節安裝工藝，伸縮節壓板螺栓緊固完后，在保證伸縮節不漏水情況下，使用活動扳手將壓板螺栓逐個擰松1/4~1/2 螺紋周長，以保證轉輪室有足夠振動行程，降低壓板螺栓、伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫交變應力作用和應力集中程度，有效避免裂紋產生。

4.4 優化機組運行和加強監測

電廠進一步優化機組運行，避免機組長時間處于或者頻繁通過不利工況負荷區域運行，降低機組和轉輪室超標振動。

加強轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫日常巡檢與監測，記錄其運行狀況和漏水量。除在機組檢修時，對此處角焊縫進行無損檢測外，可以根據機組運行狀況和漏水量情況，合理安排無損檢測周期，以及時發現和處理存在的裂紋缺陷。

5 現場處理工藝

根據轉輪室焊縫裂紋發生的位置和現場實際情況，制定現場處理裂紋的工藝見圖3。

圖3 裂紋缺陷處理工藝示意圖

（1）裂紋檢查和確認。清理裂紋缺陷附近的污漬、油漆等雜物，對裂紋缺陷及其附近區域進行滲透檢測，確認裂紋的分布、尺寸等，做好記錄，作為現場返修的依據。

（2）返修前準備和防護。拆卸影響焊接操作的管道，用耐高溫阻燃材料對轉輪室裂紋周圍轉輪室、伸縮節部位和螺栓等進行覆蓋防護，防止焊接飛濺損傷。焊接區下方鋪設防火毯，裝設臨時圍欄，現場應備足消防器材。

（3）止裂措施。根據現場滲透檢測情況，用Φ4~Φ6 鉆頭在裂紋尖端上鉆深約15 mm 左右的止裂孔，防止裂紋在處理中擴展。

（4）裂紋清除和焊接坡口準備。采用碳弧氣刨去除裂紋，采用單面刨出焊接坡口，坡口深度開挖到位后，采用角向磨光機、風動銑刀打磨去除滲碳層。在滿足焊接要求的前提下，坡口寬度應盡可能小，減少焊接量，降低焊接殘余應力和焊接變形。不得刨穿轉輪室合縫板法蘭面處，需保留至少5 mm 厚度。應注意防止磨削深度過大，破壞轉輪室法蘭密封槽，磨削最深點離密封槽需保留至少10 mm 的厚度。

（5）焊接過程。采用手工電弧焊+CO2氣體保護焊，焊前將焊接區域及其周邊50 mm 范圍清理潔凈，去除油、水、銹、灰塵等影響焊接質量的有害雜質，用火焰去除水分，并將焊接區域均勻預熱至50~60℃。GES-309 焊條在烘箱中380℃~400℃烘干2 h，烘干后放入焊條保溫筒內保溫，隨用隨取。

采用多層多道焊接，單層焊接厚度約3 mm，單道寬度<15 mm，上下側坡口焊縫焊接交替進行，不得單側焊滿再焊另一側。嚴格采用小電流、窄焊道、快速焊規范一次性焊接完成，中途盡量避免停焊。

表1 焊接規范

焊接時，使用測溫儀器監控焊接層間溫度在170℃以下。焊接過程中注意檢查焊縫表面，防止產生氣孔、夾渣、未焊透等缺陷。

除第一層和封面層焊道外，其他焊道使用風鏟逐層進行充分的錘擊，錘擊后焊縫表面須產生明顯的屈服以消除焊接應力[8]。

（6）加強筋和增強護板焊接。在上下兩瓣轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫修補區域各配焊2 塊加強筋，板厚30 mm，并開對面對稱K 型坡口，用J507（F3.2 mm）焊條手工焊進行焊接，在裂紋焊縫處理補焊位置對應的內側過流區域使用相同方法焊接1 塊增強護板，尺寸（長× 寬× 厚）200 mm×250 mm×12 mm。

（7）焊接后處理和無損檢測。焊接完成后，使用石棉布包覆蓋在焊縫表面，使焊縫緩慢冷卻。焊縫冷卻后，返修角焊縫區域R20 圓角圓滑過渡，合縫板端部及角部焊縫打磨光滑，不得有溝槽。

返修焊縫區域冷至室溫24 h 后，按照NB/T 47013-2015《承壓設備無損檢測》進行滲透檢測I級驗收合格，并且不允許任何裂紋顯示[9]。

（8）處理效果評估。該水電廠3 號機組轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋經過處理后，運行監測3 年以來未發現裂紋，處理效果良好。

近幾年，公司系統內其他貫流式水電廠轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫均發生過裂紋情況，按本文處理思路和焊接工藝完成處理，機組檢修時無損檢測未再發現大尺寸裂紋缺陷，轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋問題得到有效解決。

6 結論

某貫流式機組轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫反復發生裂紋。此處角焊縫為應力集中區域，轉輪室壁厚選擇設計標準下限值，壁厚薄而結構強度弱，角焊縫結構復雜、焊接質量差，機組運行工況不佳，伸縮節壓板螺栓過度擰緊，轉輪室振動行程嚴重不足是裂紋產生的主要原因。

通過制定合理焊接工藝、保證焊接質量，加焊外加強筋和內側護板，改善伸縮節安裝工藝，確保轉輪室軸線足夠振動行程，優化機組運行工況和加強監測等措施，成功處理某貫流式機組轉輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋缺陷，為同類型的缺陷處理，提供借鑒。