袁守懷，方 強(qiáng)，張廣華

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘水電站2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板裂紋處理

袁守懷，方 強(qiáng)，張廣華

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

介紹了緊水灘水電站2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板檢查過(guò)程以及在發(fā)現(xiàn)裂紋以后的處理經(jīng)過(guò)，并對(duì)該裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了深入的分析，在處理過(guò)程中采用了一種非常規(guī)的處理方法——加工應(yīng)力釋放工藝孔及伸縮縫，成功處理了缺陷，對(duì)類(lèi)似缺陷處理有一定借鑒意義。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；引水板裂紋；應(yīng)力釋放孔；分析處理

1 概述

緊水灘水力發(fā)電廠位于浙江省云和縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量378 MW，其中緊水灘水電站300 MW，石塘水電站78 MW，屬甌江上游大溪支流龍泉溪一、二級(jí)開(kāi)發(fā)的水電站。一級(jí)站緊水灘電站裝有6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，分別投產(chǎn)于1987年和1988年，其中水輪機(jī)參數(shù)如下：

型號(hào)：HL220-LJ-300

制造廠家：杭州發(fā)電設(shè)備廠

設(shè)計(jì)水頭：69 m

最大水頭：85 m

最小水頭：60.5 m

額定流量：84.7 m3/s

設(shè)計(jì)出力：51 500 kW

最高出力：51 500 kW

最低出力：42 019 kW

額定轉(zhuǎn)速：200 r/min

上冠材料：ZG20SiMn

減壓板材料：Q235

2 問(wèn)題提出

緊水灘電站1號(hào)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)頂蓋處有異常金屬撞擊、摩擦聲，立即停機(jī)檢查。在機(jī)組解體后發(fā)現(xiàn)機(jī)組頂蓋減壓板已局部脫落、轉(zhuǎn)輪引水板已撕裂。經(jīng)省公司、我廠、設(shè)備制造商三方技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查分析后，決定將頂蓋、轉(zhuǎn)輪返廠重新加工引水板、減壓板，檢修方式由搶修改為擴(kuò)大性大修?；?號(hào)機(jī)組問(wèn)題的嚴(yán)重性，省公司要求我廠在汛期來(lái)臨前對(duì)緊站其余水輪機(jī)的引水板、頂蓋減壓板進(jìn)行全面檢查。

在對(duì)2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)的引水板、頂蓋減壓板檢查時(shí)，將頂蓋減壓板、轉(zhuǎn)輪引水板清掃干凈，用擊打辯音法及著色目測(cè)法檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪引水板與上冠焊接環(huán)縫局部開(kāi)裂，長(zhǎng)度達(dá)1/2周長(zhǎng)，用超聲探傷檢查發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)焊縫虛焊長(zhǎng)度達(dá)焊縫總長(zhǎng)90%，減壓板本體無(wú)異常。

3 原因分析

上冠的材料為ZG20SiMn，而引水板材料為Q235，鑄鋼的焊接性能相對(duì)差，對(duì)焊縫強(qiáng)度有一定影響。

上冠與引水板的焊縫為環(huán)形閉合型焊縫，其內(nèi)應(yīng)力無(wú)法釋放，由于引水板的材料焊接性能較好，因此機(jī)組在整體加工過(guò)程中,并未做消應(yīng)處理,在機(jī)組投運(yùn)初期，不會(huì)產(chǎn)生裂紋，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，尤其是在投入AGC運(yùn)行后，機(jī)組長(zhǎng)期處于振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，頻繁的交變應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力共同作用，促使焊縫應(yīng)力變形加劇，焊縫的疲勞強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)值，焊縫壽命減小，會(huì)提前出現(xiàn)裂紋缺陷。

緊水灘機(jī)組自1997年10月起投入AGC方式運(yùn)行后，機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行在25～35 MW之間，正好在機(jī)組的兩個(gè)振動(dòng)區(qū)10～25 MW和35 MW附近。機(jī)組在投入AGC方式運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，機(jī)組運(yùn)行狀況明顯變差，主要表現(xiàn)在導(dǎo)軸承擺度變大，機(jī)架及頂蓋的振動(dòng)加劇，尾水管、大軸中心、頂蓋補(bǔ)氣比以前更加頻繁。如此一來(lái)，必將加大和加快機(jī)組構(gòu)件的交變應(yīng)力的大小和頻率，在應(yīng)力集中處及缺陷（劃傷、夾渣、顯微裂紋等）處產(chǎn)生細(xì)微裂紋，這種裂紋稱(chēng)為疲勞源，隨著時(shí)間的推移形成疲勞擴(kuò)展區(qū)，當(dāng)疲勞擴(kuò)展區(qū)達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，構(gòu)件就會(huì)在甚至低于彈性極限的應(yīng)力下突然斷裂。而轉(zhuǎn)輪引水板與上冠焊接環(huán)縫處正是焊接應(yīng)力集中的部位，長(zhǎng)期運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)附近，在較大交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生細(xì)微裂紋，逐漸形成疲勞擴(kuò)展區(qū)，最終發(fā)展成為我們所發(fā)現(xiàn)的如此長(zhǎng)的一條裂紋。

4 問(wèn)題的處理

對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，普通的處理方法是將其焊縫車(chē)削，開(kāi)V形坡口后重新焊接，對(duì)于該焊接案例，如何在控制變形、保證焊接強(qiáng)度、保證轉(zhuǎn)輪靜平衡的前提下，盡可能釋放焊接應(yīng)力是問(wèn)題的關(guān)鍵，經(jīng)省公司、電廠、設(shè)備制造商三方技術(shù)人員研究決定，對(duì)原引水板進(jìn)行加工，增加8個(gè)直徑100 mm、均布的應(yīng)力釋放工藝孔，并由工藝向外緣開(kāi)4 mm寬、帶焊接坡口的伸縮縫，以盡可能減少環(huán)焊縫的焊接應(yīng)力，焊接過(guò)程中注意采用消除應(yīng)力方法。

4.1 引水板的加工

1）轉(zhuǎn)輪首先上車(chē)床，采用冷加工的方式車(chē)削去原環(huán)焊縫，并開(kāi)出新的焊接坡口，坡口形式采用單邊V形坡口，坡口斜度為35～45°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為 2～4 mm，深度為 12～17 mm之間；

2）在距引水板邊緣130 mm環(huán)徑上加工8個(gè)直徑100 mm、均布的應(yīng)力釋放工藝孔，圓孔采用單邊V形坡口，坡口斜度為35～45°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為 2～4 mm，深度為 12～17 mm之間；

3）由應(yīng)力釋放工藝孔向外輻射開(kāi)伸縮縫，坡口形式采用V形坡口，坡口斜度為60°，上口寬度控制在12～15 mm之間，底部寬度為2～4 mm，深度為12～17 mm之間。

加工后坡口進(jìn)行打磨、修形，注意與上冠的吻合度，以保證周轉(zhuǎn)環(huán)焊縫坡口的均勻度。引水板加工示意圖如圖1：

圖1引水板加工示意圖

4.2 焊接工藝措施

1）將轉(zhuǎn)輪引水板及上冠坡口表面的油污、水分、銹蝕層清理干凈；

2）焊條采用的J507低氫焊條，焊條直徑采用φ3.2～φ4 mm；

3）焊條使用前經(jīng)350～400℃，1～2h烘干；

4）焊條經(jīng)烘干后做焊接試驗(yàn)，沒(méi)有藥皮脫落和焊接表面有氣孔現(xiàn)象；

5）焊前先對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行局部預(yù)熱,預(yù)熱溫度為100～200℃,以紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視；

6）焊機(jī)接法：采用直流反極性接法，即焊把接正極，轉(zhuǎn)輪接負(fù)極；

7）焊接引水板外圓與轉(zhuǎn)輪上冠連接處焊縫，要求由兩條伸縮縫中間向伸縮縫方向施焊，采用小電流，對(duì)稱(chēng)、分段、退步（每步150 mm左右）焊接；

8）控制層間溫度和用錘子頻繁打擊焊縫消除應(yīng)力；

9）加入直徑100 mm圓板（圓板周邊開(kāi)V形坡口），焊接填補(bǔ)應(yīng)力釋放工藝孔，注意板面平齊；

10）補(bǔ)焊伸縮縫，要求對(duì)稱(chēng)焊接，錘擊消除應(yīng)力；

11）焊接時(shí)，采用百分表隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)輪上冠迷宮的變形量，隨時(shí)調(diào)整焊接方位和焊接速度。

4.3 檢驗(yàn)

1）對(duì)焊縫進(jìn)行修形，以打磨的方法使焊縫平整；

2）進(jìn)行探傷檢查，要求達(dá)到3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，再次上車(chē)床加工焊縫與原平面接平，同時(shí)復(fù)測(cè)轉(zhuǎn)輪上冠內(nèi)、外圓同心度；

3）轉(zhuǎn)輪做靜平衡試驗(yàn)，要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

緊水灘2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板裂紋處理過(guò)程中所采用加工釋放應(yīng)力工藝孔及伸縮縫的方法是一種非常規(guī)的處理方法，采用這種方法處理以后，很大程度上消除環(huán)焊縫的焊接應(yīng)力，延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行壽命，本次處理歷時(shí)8 d，之后機(jī)組運(yùn)行了一個(gè)大修周期，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行情況良好，證明了這次工藝方法對(duì)緊水灘2號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪引水板裂紋處理是非常成功的，對(duì)同類(lèi)型問(wèn)題的處理可以借鑒該方法。

與此同時(shí)，該工藝方法的工作難度較大，加工成本較普通方法略高；焊接量較大，轉(zhuǎn)輪靜平衡易超出設(shè)計(jì)要求，因此，在現(xiàn)場(chǎng)及不具備做平衡試驗(yàn)的加工廠，只能參考該工藝方法。該工藝方法在一定程度上，釋放了一部分環(huán)焊縫的焊接應(yīng)力，但殘留了部分應(yīng)力，并且圓孔填補(bǔ)及伸縮縫補(bǔ)焊也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，如果條件具備，可以考慮采用退火等消應(yīng)力方法。

[1]蔡蘭.機(jī)械零件工藝性手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]劉家發(fā).焊工手冊(cè)（手工焊接與切割）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3]杜國(guó)華.實(shí)用工程材料焊接手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

TK730.3+23

B

1672-5387（2017）11-0023-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.009

2017-08-30

袁守懷（1966-），男，技師，從事水電廠焊接及檢修維護(hù)工作。