李 雷，吳正發(fā)，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(shù)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(jī)組，水輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)輪采用3片槳葉設(shè)計，水輪機(jī)重量458 t。轉(zhuǎn)輪室呈類似懸臂梁式布置，上游側(cè)通過法蘭與外配水環(huán)相連，下游側(cè)通過法蘭、壓環(huán)與伸縮節(jié)進(jìn)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(zhuǎn)輪室壁厚均采用設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限，比國外同直徑小5 mm，在轉(zhuǎn)輪直徑基本相同時，其水輪機(jī)重量較DIN 標(biāo)準(zhǔn)輕20%左右。

電廠3 號機(jī)組在2018~2020 年的3 年檢修中，其轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區(qū)域均發(fā)現(xiàn)裂紋。電廠其他機(jī)組轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區(qū)域也均發(fā)現(xiàn)過相同類型裂紋。機(jī)組轉(zhuǎn)輪室焊縫裂紋嚴(yán)重影響電廠的安全運行，應(yīng)對裂紋的情況和產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，采取有效處理措施，保證機(jī)組的正常運行。

2 轉(zhuǎn)輪室角焊縫裂紋情況

某貫流式水電廠3 號機(jī)組轉(zhuǎn)輪室-X 或X 方向的伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫區(qū)域反復(fù)產(chǎn)生裂紋。2018 年檢測發(fā)現(xiàn)下瓣轉(zhuǎn)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(fā)現(xiàn)在2018 年裂紋處理補(bǔ)焊位置產(chǎn)生1處裂紋。2020 年4 月檢測發(fā)現(xiàn)上瓣轉(zhuǎn)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(jī)組處于汛期運行狀態(tài)，未開展消缺處理，監(jiān)控運行。2020 年7 月，機(jī)組停機(jī)檢修，檢測發(fā)現(xiàn)上瓣轉(zhuǎn)輪室X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋已擴(kuò)展到約75 mm，電廠組織完成裂紋處理。

圖1 轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結(jié)構(gòu)圖

圖2 轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋形貌

3 轉(zhuǎn)輪室角焊縫裂紋產(chǎn)生原因

從轉(zhuǎn)輪室設(shè)計、結(jié)構(gòu)、焊縫焊接質(zhì)量、運行狀況和安裝工藝等方面分析裂紋產(chǎn)生的原因，以保障裂紋現(xiàn)場處理效果，達(dá)到從根本上處理轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋。

3.1 設(shè)計因素

電廠水輪發(fā)電機(jī)組屬于低價中標(biāo)設(shè)備，未開展專項設(shè)計，套用國內(nèi)某貫流式水電站轉(zhuǎn)輪設(shè)計，采用3 片槳葉結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪室壁厚選取設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限，比國外同直徑小5 mm。在轉(zhuǎn)輪直徑基本相同時，其水輪機(jī)重量（458 t）比DIN 標(biāo)準(zhǔn)輕20%左右。轉(zhuǎn)輪室呈懸臂梁式，對其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高，同時由于壁厚薄，水輪機(jī)重量輕，轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，穩(wěn)定性降低，轉(zhuǎn)輪室在焊縫薄弱處容易產(chǎn)生裂紋[1,2]。

3.2 結(jié)構(gòu)因素

轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫是轉(zhuǎn)輪室直錐段合縫法蘭、轉(zhuǎn)輪室本體、伸縮段合縫法蘭3者相交接焊縫，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組合焊縫處屬于應(yīng)力集中區(qū)域，超過疲勞極限位置先產(chǎn)生裂紋[3]。同時，由于轉(zhuǎn)輪室懸臂式結(jié)構(gòu)，支持點在轉(zhuǎn)輪上游側(cè)，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(jié)構(gòu)連續(xù)性，約束轉(zhuǎn)輪室軸向振動和徑向振動行程，此處角焊縫在機(jī)組運行中承受較大交變應(yīng)力作用而加速疲勞，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋。

3.3 焊縫質(zhì)量因素

轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接時容易出現(xiàn)未焊透、未熔合、咬邊、焊縫表面成形不良等焊接缺陷，降低轉(zhuǎn)輪室焊縫強(qiáng)度[4]?，F(xiàn)場裂紋缺陷處理時，受制于焊接位置操作空間小，現(xiàn)場環(huán)境差等因素，焊接質(zhì)量更是難以得到有效控制，容易產(chǎn)生焊接缺陷。在機(jī)組運行的交變應(yīng)力作用下，裂紋容易在焊接缺陷位置萌發(fā)和擴(kuò)展。

3.4 機(jī)組運行狀況

由于渦帶振動、卡門渦列、狹縫射流、導(dǎo)槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系不準(zhǔn)確等原因，機(jī)組運行中會造成水力振動，是引起轉(zhuǎn)輪室焊縫裂紋的重要因素之一[1,5]。轉(zhuǎn)輪室壁厚參數(shù)選取設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限值，使其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，抗振動性能降低。電廠機(jī)組常用于電網(wǎng)調(diào)峰，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)機(jī)組經(jīng)常處于或者頻繁通過不利工況負(fù)荷區(qū)域運行，加大尾水壓力脈動和水力不平衡載荷，引起轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生振動，造成轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫受到大的交變應(yīng)力作用，加快角焊縫疲勞破壞[6,7]。

3.5 安裝工藝因素

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

綜合上述分析，某貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫屬于應(yīng)力集中部位，由于轉(zhuǎn)輪室壁厚選取設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限值，壁厚薄，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，穩(wěn)定性下降。此外，轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接質(zhì)量較差，容易存在焊接缺陷。安裝時，伸縮節(jié)壓板螺栓容易過度擰緊，造成轉(zhuǎn)輪室軸向振動和徑向振動行程嚴(yán)重不足。由于上述不利因素存在，在機(jī)組運行振動交變應(yīng)力作用下，轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫容易產(chǎn)生疲勞，造成裂紋在焊接缺陷位置萌發(fā)和擴(kuò)展。

4 處理思路

針對轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫反復(fù)產(chǎn)生裂紋的情況，根據(jù)裂紋產(chǎn)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(qiáng)筋和內(nèi)側(cè)護(hù)板

轉(zhuǎn)輪室-X 和+X 方向伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫附近區(qū)域各加焊4 條加強(qiáng)筋，上、下瓣轉(zhuǎn)輪室各加焊2 條加強(qiáng)筋，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)合縫法蘭與直錐段連接區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生裂紋部位所對應(yīng)的內(nèi)側(cè)過流區(qū)域焊接1 塊增強(qiáng)護(hù)板，鋼板尺寸（長×寬×厚）200 mm×250 mm×12 mm。

4.2 保證焊接質(zhì)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(zhì)量，防止產(chǎn)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(qū)域進(jìn)行修磨，保證圓弧過渡質(zhì)量良好。焊接完成冷卻至室溫24 h 后，補(bǔ)焊區(qū)域無損檢測驗收合格。

4.3 改善伸縮節(jié)安裝工藝

由于轉(zhuǎn)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(jié)漏水，轉(zhuǎn)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(jié)壓板螺栓過度擰緊，轉(zhuǎn)輪室受到強(qiáng)力約束，轉(zhuǎn)輪室振動行程嚴(yán)重不足而承受大的交變應(yīng)力作用，造成伸縮節(jié)壓板螺栓斷裂或者轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫產(chǎn)生裂紋的問題，通過進(jìn)一步改善伸縮節(jié)安裝工藝，伸縮節(jié)壓板螺栓緊固完后，在保證伸縮節(jié)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(zhuǎn)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(yīng)力作用和應(yīng)力集中程度，有效避免裂紋產(chǎn)生。

4.4 優(yōu)化機(jī)組運行和加強(qiáng)監(jiān)測

電廠進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組運行，避免機(jī)組長時間處于或者頻繁通過不利工況負(fù)荷區(qū)域運行，降低機(jī)組和轉(zhuǎn)輪室超標(biāo)振動。

加強(qiáng)轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫日常巡檢與監(jiān)測，記錄其運行狀況和漏水量。除在機(jī)組檢修時，對此處角焊縫進(jìn)行無損檢測外，可以根據(jù)機(jī)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(fā)現(xiàn)和處理存在的裂紋缺陷。

5 現(xiàn)場處理工藝

根據(jù)轉(zhuǎn)輪室焊縫裂紋發(fā)生的位置和現(xiàn)場實際情況，制定現(xiàn)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(rèn)。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(qū)域進(jìn)行滲透檢測，確認(rèn)裂紋的分布、尺寸等，做好記錄，作為現(xiàn)場返修的依據(jù)。

（2）返修前準(zhǔn)備和防護(hù)。拆卸影響焊接操作的管道，用耐高溫阻燃材料對轉(zhuǎn)輪室裂紋周圍轉(zhuǎn)輪室、伸縮節(jié)部位和螺栓等進(jìn)行覆蓋防護(hù)，防止焊接飛濺損傷。焊接區(qū)下方鋪設(shè)防火毯，裝設(shè)臨時圍欄，現(xiàn)場應(yīng)備足消防器材。

（3）止裂措施。根據(jù)現(xiàn)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(kuò)展。

（4）裂紋清除和焊接坡口準(zhǔn)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(jī)、風(fēng)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(yīng)盡可能小，減少焊接量，降低焊接殘余應(yīng)力和焊接變形。不得刨穿轉(zhuǎn)輪室合縫板法蘭面處，需保留至少5 mm 厚度。應(yīng)注意防止磨削深度過大，破壞轉(zhuǎn)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(hù)焊，焊前將焊接區(qū)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(zhì)量的有害雜質(zhì)，用火焰去除水分，并將焊接區(qū)域均勻預(yù)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(nèi)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(cè)坡口焊縫焊接交替進(jìn)行，不得單側(cè)焊滿再焊另一側(cè)。嚴(yán)格采用小電流、窄焊道、快速焊規(guī)范一次性焊接完成，中途盡量避免停焊。

表1 焊接規(guī)范

焊接時，使用測溫儀器監(jiān)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(chǎn)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(fēng)鏟逐層進(jìn)行充分的錘擊，錘擊后焊縫表面須產(chǎn)生明顯的屈服以消除焊接應(yīng)力[8]。

（6）加強(qiáng)筋和增強(qiáng)護(hù)板焊接。在上下兩瓣轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫修補(bǔ)區(qū)域各配焊2 塊加強(qiáng)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(jìn)行焊接，在裂紋焊縫處理補(bǔ)焊位置對應(yīng)的內(nèi)側(cè)過流區(qū)域使用相同方法焊接1 塊增強(qiáng)護(hù)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(qū)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(qū)域冷至室溫24 h 后，按照NB/T 47013-2015《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)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(jī)組轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫裂紋經(jīng)過處理后，運行監(jiān)測3 年以來未發(fā)現(xiàn)裂紋，處理效果良好。

近幾年，公司系統(tǒng)內(nèi)其他貫流式水電廠轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫均發(fā)生過裂紋情況，按本文處理思路和焊接工藝完成處理，機(jī)組檢修時無損檢測未再發(fā)現(xiàn)大尺寸裂紋缺陷，轉(zhuǎn)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(jié)論

某貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室伸縮段合縫法蘭與直錐段角焊縫反復(fù)發(fā)生裂紋。此處角焊縫為應(yīng)力集中區(qū)域，轉(zhuǎn)輪室壁厚選擇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下限值，壁厚薄而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱，角焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接質(zhì)量差，機(jī)組運行工況不佳，伸縮節(jié)壓板螺栓過度擰緊，轉(zhuǎn)輪室振動行程嚴(yán)重不足是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

通過制定合理焊接工藝、保證焊接質(zhì)量，加焊外加強(qiáng)筋和內(nèi)側(cè)護(hù)板，改善伸縮節(jié)安裝工藝，確保轉(zhuǎn)輪室軸線足夠振動行程，優(yōu)化機(jī)組運行工況和加強(qiáng)監(jiān)測等措施，成功處理某貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)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。