某水電站2 號水輪發電機轉子支臂裂紋原因分析與處理措施

丁立葉

（大唐甘肅發電有限公司碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412）

1 電站概況

某水電站位于甘肅省文縣境內，電站設計安裝3 臺混流式水輪發電機組，總裝機容量3×80MW。電站主體工程于2007 年1 月開工建設，3 臺機組于2014 年6月底投產發電。該水電站發電機型號為SF80-30/7600，轉子支架采用輪輻式設計，其中10條支臂立筋板和外圍環板由壁厚30mm，材質為Q345B 的鋼板焊接制成，轉子總重約270t（見圖1）。

圖1 轉子支架外形圖

2 情況簡述

2021 年04 月15 日，該水電站按計劃開展2 號機組C 級檢修，在檢修過程中，檢查發現2 號發電機轉子中心體與轉子支臂連接焊縫熔合線處母材存在開裂、轉子支臂與外圍環板連接端部焊縫及母材存在開裂等重大設備缺陷，經現場仔細檢查，10 條支臂與中心體連接兩端20 條角焊縫熔合線處母材均存在不同程度開裂，其中上下端部存在支臂母材貫穿性開裂現象，有4 條焊縫熔合線自上而下存在通長裂紋，具體情況見圖2、圖3。

圖2 轉子支臂下端開裂

圖3 轉子支臂中部開裂

3 原因分析

缺陷發現后，立即組織專業技術人員成立攻關小組，認真細致進行討論分析，認為造成裂紋發生的主要原因有以下3 個方面。

3.1 結構設計方面

轉子支架在結構設計上存在設計缺陷，轉子中心體與轉子支架外圍環板之間的支臂僅靠10 條厚度30mm 的鋼板作為立筋承載，未設計有承載圓周方向扭矩及旋轉離心力的補強加固措施，導致轉子支臂承載機組旋轉扭矩和軸向載荷的能力不足，經長時間運行，轉子支臂在磁軛和磁極重力、旋轉扭矩及離心力、電磁拉力等多重應力的頻繁作用下發生疲勞開裂。

3.2 焊接工藝方面

轉子支臂鋼板壁厚30mm，材質為Q345B，從現場查看，轉子中心體與轉子支臂連接處裂紋均出現在焊縫熔合線處，此處屬于焊縫熱影響區，容易形成淬火組織馬氏體，使近縫區的硬度提高，塑性下降，并且造成焊縫殘余應力過大。轉子支臂與中心體連接處在發電機轉子支架運行過程應力集中部位，在制造階段焊接工藝控制不良，在焊接過程中可能存在較大的殘余應力，機組運行過程中，在焊縫殘余應力、彎曲應力及剪切力綜合作用下造成開裂。

3.3 運行工況方面

經查閱機組運行日志，受電網調度自動調節影響，該機組運行過程中頻繁進行開停機和負荷調整、倒空等操作，每月平均開停機次數可達70 余次，每月機組負荷倒空次數最多可達200 余次，頻繁的開停機和負荷調整對轉子支臂所產生的交變應力加劇了疲勞開裂的速度。

4 處理方案

根據上述原因分析，計劃采取裂紋修復、設計加裝加強筋板的方式進行處理。處理的主要工序為：轉子支臂與外圍環板連接部位裂紋修復—轉子中心體與支臂連接部位裂紋修復—加強筋板焊接安裝。具體方案內容如下。

4.1 轉子支臂與外圍環板連接部位裂紋修復

（1）確保所有缺陷全部檢查到位、無遺漏。采用碳弧氣刨對裂紋進行清除，直至裂紋全部消失。

（2）對于母材貫穿性裂紋，在裂紋處刨開焊接“雙V”型坡口，按照機組旋轉方向，支臂正面開坡口深度控制在20 ～22mm，背面開坡口深度控制在12 ～13mm，坡口寬度符合國標要求；對于單側裂紋，在裂紋處刨開焊接“單V”型坡口，坡口深度直至裂紋消失。坡口開好后，用風動砂輪機將坡口修磨平整，去除滲碳層。

（3）對坡口進行100%滲透檢測，應無裂紋、氣孔等缺陷。

（4）焊接工藝優先采用富Ar 氣體保護焊，焊絲直徑φ1.2、焊絲材質H08MnSiA；對于個別難以施焊部位可采用手工電弧焊焊接，采用J507R 焊條，焊條直徑φ3.2 或φ4，焊條經300 ～350℃烘干1 小時后方可使用。

（5）焊接原則采用分段焊、對稱焊的原則，單條焊縫的最大長度不得超過200mm，以控制焊接熱輸入量，減少或避免焊接變形。

（6）對于非貫穿性裂紋，缺陷深度大于20mm，在坡口開好后分三層進行焊接處理，每層焊縫焊接完成后，立即進行清根處理，用風鏟或手錘敲擊釋放焊接應力；缺陷深度小于20mm 的裂紋，進行二層焊接處理。

（7）對于貫穿性裂紋，按照四層焊接、正反交替焊接的原則進行焊接處理，每層焊接完成后，同樣進行清根和釋放應力處理。

（8）焊接工作完成后，對焊縫表面進行打磨光滑、平整并與支臂母材同高，不得有凸出或凹陷存在，經超聲波和滲透檢測合格。

（9）本側支臂焊接完成后，按照對稱焊的原則，進行對側支臂的焊接，嚴禁直接在相鄰支臂處進行焊接，防止轉子支架因局部受熱造成焊接變形，影響轉動部件的動平衡。

4.2 轉子支臂與中心體連接部位裂紋修復

此處裂紋修復工藝與4.1 項修復工藝基本相同，仍然采用裂紋清理、補焊修磨的工藝進行處理。

4.3 加強筋板制作及焊接安裝

為彌補轉子支臂強度不足問題，在轉子中心體與轉子外圍環板之間的支臂上下端部，設計焊接“T”形加強筋板，加強筋板內側與轉子中心體焊接連接、外側與外圍環板焊接連接，使轉子支臂與外圍環板形成整體結構；在轉子支臂垂直方向中部，設計焊接“蝶”形加強筋板，“蝶”形筋板內側與轉子中心體焊接連接，兩側分別與相鄰的轉子支臂進行焊接連接。

4.3.1 轉子支臂上下端部“T”形加強筋板焊接

（1）根據轉子中心體和轉子支架外圍環板實際尺寸，設計制作“T”形加強筋板（具體尺寸見圖4），筋板材質采用Q345C、板厚24mm。

圖4 “T”形加強筋板下料圖

（2）每塊加強筋板修磨完成后應進行稱重，根據重量對稱分配安裝位置。

（3）“T”形加強筋板內側（半徑R632）與轉子中心體連接端面及外側（半徑R1200）與轉子外圍環板連接端面，分別修磨出“K”型坡口，坡口開好后，用風動砂輪機將坡口修磨平整，去除滲碳層。

（4）將轉子支臂上下端部清理打磨，修磨出“K”型坡口，對應的轉子中心體和外圍環板部位進行清掃打磨，去除漆皮、氧化皮等，直至露出金屬光澤。

（5）焊接順序：首先，進行“T”形加強筋板內、外側弧形角焊縫打底焊，再進行轉子支臂徑向平行角焊縫打底焊，單條焊縫長度不超過200mm，否則，進行分段焊。焊接每段焊縫后立即用風鏟或手錘進行敲擊，釋放焊接應力。

（6）焊接工藝采用富Ar 氣體保護焊，焊絲直徑φ1.2、焊絲材質H08MnSiA。

（7）按照對稱焊接的原則，一側“T”形加強筋板焊接完成后，進行對側支臂加強筋板焊接，直至所有20塊筋板焊接完成。

（8）所有20 塊筋板打底焊完成后，再對稱進行表面角焊縫的焊接，焊角高度14 ⊿，單條焊縫長度不超過200mm，否則，進行分段焊。表面角焊完成后，對焊縫表面進行打磨光滑、平整，各角焊縫焊角高度允許偏差±1mm，經超聲波和磁粉合格。

4.3.2 轉子支臂中部“蝶”形加強筋板焊接

（1）根據轉子中心體和兩相鄰轉子支臂際尺寸，設計制作“蝶”形加強筋板（具體尺寸見圖5），筋板材質采用Q345C、板厚24mm。

圖5 “蝶”形加強筋板下料圖

（2）此處筋板稱重分配、焊接工藝與4.3.1 項基本相同，焊接完成后，所有角焊縫修磨平整，經磁粉檢測合格。

5 方案實施及效果檢查

按照上述方案對所有裂紋進行了修復處理，轉子支架上、中、下端部加裝了“T 形”和“蝶形”筋板，補強轉子支架強度，所有加裝的30 塊筋板總重約500kg，對于轉子重量及推力負荷影響不大。具體修復情況如圖6。

圖6 轉子支臂加固效果圖

所有處理方案實施完畢后開機試驗，檢查機組推力、導軸承瓦溫無明顯變化。檢查機組各部振動、擺度變化情況，具體數據如表1。

表1 2 號機轉子支臂裂紋處理前后振動、擺度對比分析表

經過對上表數據的對比可以發現，轉子支臂裂紋處理后，各項振擺技術參數略有增大，但數據均在國標、行標規程允許范圍內，不影響機組的正常運行。經過機組近2 年的運行監視，整體運行工況穩定，轉子支臂再未發生開裂情況，該問題得到了有效徹底的解決。該轉子支臂裂紋的成功處理，為同類型結構的轉子支臂裂紋的處理提供了一定的參考經驗，對于同類問題的處理具有一定的借鑒意義。