柳 超， 方 仲 超

(寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003)

1 概 況

紫蘭壩水電站位于四川省廣元市境內(nèi)的白龍江干流上，是嘉陵江支流——白龍江干流梯級開發(fā)規(guī)劃中的最后一級。電站安裝3臺單機容量34 MW的燈泡貫流式機組，總裝機容量102 MW,年發(fā)電量4.41億kWh。電站水輪機型號為GZ(836)-WP-535，由東方電機有限公司生產(chǎn)，機組額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min,額定水頭15.4 m。

該轉(zhuǎn)輪室由上、下兩瓣組成，通過法蘭上下連接，轉(zhuǎn)輪室母材為普通碳鋼Q235，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部最小直徑為5 350 mm，轉(zhuǎn)輪室長度為2 582 mm，總重量為26 t。轉(zhuǎn)輪室上游側(cè)通過法蘭螺栓與外配水環(huán)連接，下游側(cè)嵌入補償節(jié)內(nèi)，轉(zhuǎn)輪室加強結(jié)構(gòu)由3條環(huán)筋板和3條立筋板焊接而成，對整個轉(zhuǎn)輪室進行箍式結(jié)構(gòu)加固，環(huán)筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,轉(zhuǎn)輪室本體母材鋼板厚度為40 mm。轉(zhuǎn)輪槳葉與轉(zhuǎn)輪室的設(shè)計間隙3.5～3.9 mm。

2 機組問題

紫蘭壩電站3臺機組于2006年全部投產(chǎn)使用，2016～2017年間，由于3臺機組轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)嚴(yán)重氣蝕，均對其進行返廠處理。2018年12月，檢修人員發(fā)現(xiàn)1F機組轉(zhuǎn)輪室有漏水現(xiàn)象，隨即停機對轉(zhuǎn)輪室進行檢查發(fā)現(xiàn)，1F機組轉(zhuǎn)輪室右岸加強環(huán)筋板連著立筋板發(fā)生1處斷裂，裂口長度均為200 mm；筋板斷裂致使轉(zhuǎn)輪室本體母材也發(fā)生貫穿性裂縫，裂縫長度為400 mm，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部流道內(nèi)的水從裂縫中流出，造成轉(zhuǎn)輪室漏水發(fā)生，其中圖1為轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋現(xiàn)場PT探傷顯示的裂紋實例圖。

圖1 轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋部位及長度

3 原因分析

3.1 轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)設(shè)計原因

紫蘭壩電站貫流式機組水輪機轉(zhuǎn)輪室由于結(jié)構(gòu)的特殊性，其上端側(cè)通過法蘭與外配水環(huán)固定相連，下端側(cè)嵌入補償節(jié)內(nèi)，但又與補償節(jié)之間存在一定間隙，用以安裝伸縮節(jié)密封條，其結(jié)構(gòu)類似懸臂梁式布置。那么，在機組運行中，由于機組振動，離上端固定支撐點越遠(yuǎn)其振幅越大，對轉(zhuǎn)輪室破壞就越大。因此，對貫流式機組來說，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)對強度要求很高，強度過低，轉(zhuǎn)輪室極易產(chǎn)生裂紋。

同時，在重量方面，紫蘭壩電站水輪機轉(zhuǎn)輪室總重量為26 t，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部最小直徑為5 350 mm，轉(zhuǎn)輪室長度為2 582 mm，比其他電站同類型同尺寸的燈泡貫流式機組轉(zhuǎn)輪室重量要輕許多，主要原因是紫蘭壩電站轉(zhuǎn)輪室40 mm的厚度比其他機組薄。而且，也有轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面流線設(shè)計欠缺、運行工況較差等因素，使機組轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部過流面極易產(chǎn)生氣蝕，造成轉(zhuǎn)輪室本體厚度減薄，影響轉(zhuǎn)輪室的強度，產(chǎn)生裂紋。

3.2 轉(zhuǎn)輪室材質(zhì)原因

紫蘭壩電站水輪機轉(zhuǎn)輪室母材和加固筋板為普通碳鋼Q235材質(zhì)，喉部過渡段為不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，為異種鋼材焊接結(jié)構(gòu)。整個轉(zhuǎn)輪室是通過焊接方式將普通碳鋼和不銹鋼拼接起來，兩種鋼材的成分和組織結(jié)構(gòu)不同，其機械性能和物理性能差異也很大，將其焊接在一起會出現(xiàn)可焊性差、難以融合、焊接殘余應(yīng)力難以釋放、焊接接頭發(fā)韌性低、焊接質(zhì)量較差、而有夾雜氣孔等問題，故而造成轉(zhuǎn)輪室不銹鋼母材與筋板之間的焊縫開裂。

3.3 機組振動原因

機組在運行過程中，由于卡門漩渦、狹縫射流、尾水管壓力脈動、導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等因素造成水力振動，是造成機組轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋的重要因素之一。通過查找紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室之前振動數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在水平方向振動最大值為282.1 μm，垂直方向振動最大值為2 183.7 μm，其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紫蘭壩電站轉(zhuǎn)輪室振動不大于85 μm的設(shè)計要求；同時，用分貝儀測定轉(zhuǎn)輪室處機組振動噪音值為100.3 dB,也大于不超過85 dB的設(shè)計要求，嚴(yán)重超標(biāo)。

3.4 轉(zhuǎn)輪室筋板切割、打孔以及焊接，降低轉(zhuǎn)輪室筋板的強度

由2016年1F機組轉(zhuǎn)輪室氣蝕返廠處理檢修記錄得知：2016年，在對1F機組轉(zhuǎn)輪室回裝時為保證轉(zhuǎn)輪室與輪葉間隙的合格，對轉(zhuǎn)輪室進行調(diào)整，重新鉆定位銷孔。在鉆定位銷孔時，由于轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋板限制，鉆定位銷孔所使用的磁座鉆不能安裝到位，隨即對轉(zhuǎn)輪室環(huán)筋板切割出一個80 mm×230 mm的方形缺口(共切割6處)，保證了磁座鉆安裝到位。定位銷孔絞鉆完成后，6個切割下來的鋼板被焊回原位置，由于在焊接切割板時沒有對切割面進行磨光處理留下不平整的切割溝槽，焊材也沒有加工坡口，同時焊接工藝也存在很大問題，只采取了一面焊接，導(dǎo)致焊縫存在裂紋、夾渣、未焊透、未熔合等嚴(yán)重的缺陷，使轉(zhuǎn)輪室筋板的強度大為降低。在機組振動的作用下，致使加固筋板焊接處的焊接缺陷逐步放大，最終顯現(xiàn)出焊縫開裂，一直沿著切割溝槽繼續(xù)擴展至加固筋板本體，使加固環(huán)筋板和立筋板受到嚴(yán)重影響，最后裂紋一直延伸至轉(zhuǎn)輪室本體，造成轉(zhuǎn)輪室本體貫穿性開裂，給機組安全運行帶來很大的隱患。

4 裂紋處理

根據(jù)產(chǎn)生裂紋的原因分析結(jié)果，1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋使用現(xiàn)場焊接方式進行處理，嚴(yán)格按照施工方案及工藝執(zhí)行，處理過程包括：

(1)進一步確認(rèn)裂紋的長度、深度等參數(shù)，為裂紋的完全處理奠定基礎(chǔ)；

(2)對轉(zhuǎn)輪室本體焊接裂紋和筋板焊接裂紋進行處理；

(3)焊接之后對焊縫磨平、探傷確認(rèn)。

4.1 焊前探傷確認(rèn)

分別用超聲波檢測(UT)和滲透檢測(PT)分別對轉(zhuǎn)輪室加固筋板、轉(zhuǎn)輪室本體裂縫位置進行檢測，探明裂縫的走向、具體長度、終點位置，并予以標(biāo)注。同時，對其它5處被切割過的環(huán)形筋板位置也進行探傷，發(fā)現(xiàn)其它5處被切割過的環(huán)形筋板焊縫均存在裂紋、夾渣、未熔合等各種焊接缺陷。

4.2 裂紋處理

轉(zhuǎn)輪室本體和加固筋板均有裂紋出現(xiàn)，需要分別對轉(zhuǎn)輪室本體和加固筋板進行焊接處理，待轉(zhuǎn)輪室本體焊接處理檢測合格后，再將轉(zhuǎn)輪室與筋板焊接為一體。按工藝要求：貫穿性裂紋清理，須用碳弧氣刨清理一面至2/3深度并形成焊接坡口，再打磨坡口表面，按工藝要求并預(yù)熱后封焊至1/2-2/3板厚度。之后，進行背面清根，清根后目測缺陷是否完全清除(如判斷不準(zhǔn)可進行PT探傷確認(rèn))。由于轉(zhuǎn)輪室本體厚度為40 mm，厚度較厚且為貫穿性裂紋，按照焊接工藝需要從內(nèi)外兩側(cè)分別對轉(zhuǎn)輪室本體裂紋進行處理。

4.2.1 焊前準(zhǔn)備

4.2.1.1 焊接工具準(zhǔn)備

直流電焊機(630 A)1臺、碳弧氣泡機1臺、焊條保溫桶1套、手持式啟動砂輪機1把、氧乙炔火焰加熱設(shè)備1套、遠(yuǎn)紅外測溫槍1套、焊條烘干箱1臺、焊接材料(φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E309L焊條；φ3.2 mm、φ4.0 mm AWS E7015焊條)、打渣器1套等。

4.2.1.2 裂紋處理準(zhǔn)備

將裂紋周圍100 mm范圍內(nèi)的油漆、鐵銹、油污、氧化層等打磨干凈，漏出金屬表面；根據(jù)探傷標(biāo)明的裂紋兩端點位置，在裂紋兩端點的延長線10～20 mm處進行鉆孔處理，防止在用碳弧氣刨刨開裂紋和焊接過程中裂紋繼續(xù)擴散延伸；碳弧氣刨和焊接時，應(yīng)對焊縫及相鄰區(qū)域500 mm區(qū)域進行保護，防止飛濺；按要求用焊條烘干箱對焊條進行烘烤。

4.2.2 焊接工藝規(guī)范

焊接電流、電壓的選擇與焊條直徑關(guān)系見表1。

表1 焊接材料與焊接電流參數(shù)

焊前預(yù)熱，用火焰加熱法對待焊區(qū)域及附近50 mm范圍內(nèi)預(yù)熱，溫度≥80 ℃。

4.2.3 轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理

用碳弧氣刨刨開轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)裂紋，刨開深度約為轉(zhuǎn)輪室本體厚度的2/3(約25～30 mm)，刨開寬度至容易施焊的位置。用手持式風(fēng)動砂輪機清理打磨，除去焊口內(nèi)氧化皮、鐵削等有損焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，檢測刨開面有無無裂紋，檢查坡口是否符合要求。

焊前，還需用火焰對轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部待焊區(qū)域及附近50 mm范圍內(nèi)進行預(yù)熱，溫度為80 ℃。焊接時，采用手工電弧焊進行多層、多道焊接。除打底層和蓋面層以外，對其余各層焊肉進行充分錘擊以消除焊接應(yīng)力。為了盡可能減少焊接缺陷的出現(xiàn)，焊接使用的焊條要按要求在烘烤箱內(nèi)進行烘烤，并放在保溫桶內(nèi)避免受潮。

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)裂紋焊接完畢，用碳弧氣刨刨開轉(zhuǎn)輪室外側(cè)裂紋，深度至裂紋全部刨除，且至內(nèi)部焊肉漏出為止。裂紋刨除后，用手持式風(fēng)動砂輪機清理打磨，除去焊口內(nèi)氧化皮、鐵削等。然后，對刨開位置及周圍進行PT探傷處理，檢測是否還有殘留隱藏的裂紋未被刨除。探傷后進行焊接處理，焊接方法與轉(zhuǎn)輪室內(nèi)側(cè)焊接相同。焊接過程隨時監(jiān)測轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙，表2為焊接前后轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙測量值。根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，僅離焊接位置較近的1、2號槳葉(見圖2)與轉(zhuǎn)輪室間間隙有微小變化，最大變化值為0.15 mm,3、4號槳葉與轉(zhuǎn)輪室間間隙沒變化。

表2 焊接前、后轉(zhuǎn)輪室與槳葉間隙測量值

轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理完畢，對焊縫進行打磨處理，保證表面粗糙度達到圖紙設(shè)計要求，然后對轉(zhuǎn)輪室本體修復(fù)區(qū)域按ASME標(biāo)準(zhǔn)進行100%PT探傷和100%UT探傷檢測，結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪室本體裂紋完全修復(fù)。

4.2.4 環(huán)筋板和立筋板斷裂位置處理

環(huán)筋板和立筋板厚度分別為25 mm和30 mm,板材較厚且為貫穿性裂紋，亦采用雙面刨開焊接的方法。焊接方法與轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理方法相同。

4.2.5 筋板與轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接處理

筋板為普通碳鋼Q235材質(zhì)，筋板與轉(zhuǎn)輪室連接位置為轉(zhuǎn)輪室過渡段不銹鋼1Cr18Ni9Ti材質(zhì)，嚴(yán)格按照異種鋼材焊接工藝要求，將筋板與轉(zhuǎn)輪室焊接。焊接方法同轉(zhuǎn)輪室本體裂紋處理(圖2)。

圖2 轉(zhuǎn)輪室裂紋焊接處理后

4.2.6 溝槽和缺口的切割面磨平處理

將其它5處回焊但存在焊接缺陷的位置重新刨開，對切割位置進行打磨處理，將原來切割存在溝槽和缺口的切割面磨平處理，避免在尖銳和溝槽處出現(xiàn)焊接應(yīng)力集中等焊接缺陷。施焊時采取雙面焊接方法，保證焊接質(zhì)量，增強了轉(zhuǎn)輪室加固筋板的強度。

4.3 焊接后檢測

焊接完成后對焊縫表面進行打磨，保證表面粗糙度達到圖紙要求后進行探傷檢查。首先對修復(fù)區(qū)域進行外觀檢查(目檢)合格后，再對修復(fù)區(qū)域按ASME標(biāo)準(zhǔn)進行100%PT探傷和100%UT探傷，探傷結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪室本體及加固筋板裂紋已消除，焊縫檢測無焊接缺陷。

4.4 處理效果

1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋經(jīng)過處理后，在各種工況下運行時，轉(zhuǎn)輪室本體及加固筋板無裂紋產(chǎn)生，各焊縫均無開裂，運行狀況良好。

5 結(jié) 語

轉(zhuǎn)輪室是燈泡貫流式機組重要的過流部件，是轉(zhuǎn)輪進行能量轉(zhuǎn)換的重要場所。機組運行過程中由于過流造成的卡門渦帶、狹縫射流、壓力脈動等不利因素，貫流式機組轉(zhuǎn)輪室容易出現(xiàn)汽蝕與裂紋等質(zhì)量缺陷。從紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋的產(chǎn)生得到啟示，在機組轉(zhuǎn)輪室裂紋處理過程中，后續(xù)工作中要重點要加強轉(zhuǎn)輪室各方面狀況的監(jiān)視和檢查，及時了解和掌握轉(zhuǎn)輪室的各項參數(shù)、指標(biāo)，讓轉(zhuǎn)輪室時刻處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。同時，針對紫蘭壩電站3臺機組轉(zhuǎn)輪室振動偏大問題，要及時開展專題研討進行分析、試驗，找準(zhǔn)問題的根源，給出經(jīng)濟、可行的解決方案，以提早解決轉(zhuǎn)輪室振動偏大的問題，保證機組的安全穩(wěn)定運行。紫蘭壩電站1F機組轉(zhuǎn)輪室裂紋成功的處理方法，為解決其他機組發(fā)生類似問題提供了借鑒和參考。