贯流式水轮机组转轮室角焊缝裂纹原因分析和处理.pdf
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1、26第 46 卷 第 9 期2023 年 9 月Vol.46No.9Sep.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation1 引言某水电厂安装 4 台 19.9 MW 灯泡贯流式机组,水轮机型号 GZ(B113)-WP-640,最大水头 9.7 m,最小水头 3.0 m,额定水头 6.8 m。水轮机转轮采用 3片桨叶设计,水轮机重量 458 t。转轮室呈类似悬臂梁式布置,上游侧通过法兰与外配水环相连,下游侧通过法兰、压环与伸缩节进行密封和固定,其上、下两瓣通过法兰和螺栓连接紧固1。因追求制造费用低,转轮室壁厚
2、均采用设计标准下限,比国外同直径小 5 mm,在转轮直径基本相同时,其水轮机重量较DIN 标准轻 20%左右。电厂 3 号机组在 20182020 年的 3 年检修中,其转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝区域均发现裂纹。电厂其他机组转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝区域也均发现过相同类型裂纹。机组转轮室焊缝裂纹严重影响电厂的安全运行,应对裂纹的情况和产生的原因进行分析,采取有效处理措施,保证机组的正常运行。2 转轮室角焊缝裂纹情况某贯流式水电厂 3 号机组转轮室-X 或 X 方向的伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝区域反复产生裂纹。2018 年检测发现下瓣转轮室-X 方向伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝
3、 1 处长度约 80 mm 裂纹,2019 年检测发现在 2018 年裂纹处理补焊位置产生 1处裂纹。2020 年 4 月检测发现上瓣转轮室 X 方向伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝 1 处长度约 60 mm 裂纹,由于机组处于汛期运行状态,未开展消缺处理,监控运行。2020 年 7 月,机组停机检修,检测发现上瓣转轮室 X 方向伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝裂纹已扩展到约 75 mm,电厂组织完成裂纹处理。图 1 转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝结构图图 2 转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝裂纹形貌收稿日期:2023-06-26作者简介:李 雷(1994-),男,从事水电厂(站)金属技术监督、
4、无损检测和缺陷管理工作。贯流式水轮机组转轮室角焊缝裂纹原因分析和处理李 雷1,2,吴正发1,2,羊 贵1,2(1.湖南五凌电力工程有限公司,湖南 长沙 410004;2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心,湖南 长沙 410004)摘 要:某贯流式水轮机组转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝反复发现裂纹。转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝属于应力集中区域,转轮室壁厚选取设计标准下限值,壁薄而结构强度减弱,焊接质量差,运行工况不佳,伸缩节压板螺栓过度拧紧,转轮室振动行程不足,在交变载荷作用下,裂纹在此区域萌发和扩展。采取了改善焊接工艺、保证焊接质量,加焊外加强筋和内侧护板,改善伸缩节安装工艺,确保转
5、轮室足够振动行程等处理措施。成功处理某贯流式机组转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝裂纹缺陷,为同类型的缺陷处理,提供借鉴。关键词:转轮室;裂纹;贯流式机组;裂纹处理;焊接工艺中图分类号:TV734.1文献标识码:B文章编号:1672-5387(2023)09-0026-04D O I:10.13599/ki.11-5130.2023.09.00827第 9 期李 雷,等:贯流式水轮机组转轮室角焊缝裂纹原因分析和处理3 转轮室角焊缝裂纹产生原因从转轮室设计、结构、焊缝焊接质量、运行状况和安装工艺等方面分析裂纹产生的原因,以保障裂纹现场处理效果,达到从根本上处理转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝裂
6、纹。3.1 设计因素电厂水轮发电机组属于低价中标设备,未开展专项设计,套用国内某贯流式水电站转轮设计,采用3 片桨叶结构,转轮室壁厚选取设计标准下限,比国外同直径小 5 mm。在转轮直径基本相同时,其水轮机重量(458 t)比 DIN 标准轻 20%左右。转轮室呈悬臂梁式,对其结构强度要求高,同时由于壁厚薄,水轮机重量轻,转轮室结构强度减弱,稳定性降低,转轮室在焊缝薄弱处容易产生裂纹1,2。3.2 结构因素转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝是转轮室直锥段合缝法兰、转轮室本体、伸缩段合缝法兰 3者相交接焊缝,结构复杂,组合焊缝处属于应力集中区域,超过疲劳极限位置先产生裂纹3。同时,由于转轮室悬臂
7、式结构,支持点在转轮上游侧,其尾部伸缩段合缝法兰部位振动幅度大,而尾部伸缩段合缝法兰、直锥段合缝法兰的存在破坏结构连续性,约束转轮室轴向振动和径向振动行程,此处角焊缝在机组运行中承受较大交变应力作用而加速疲劳,进而产生裂纹。3.3 焊缝质量因素转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝结构复杂,焊接时容易出现未焊透、未熔合、咬边、焊缝表面成形不良等焊接缺陷,降低转轮室焊缝强度4。现场裂纹缺陷处理时,受制于焊接位置操作空间小,现场环境差等因素,焊接质量更是难以得到有效控制,容易产生焊接缺陷。在机组运行的交变应力作用下,裂纹容易在焊接缺陷位置萌发和扩展。3.4 机组运行状况由于涡带振动、卡门涡列、狭缝射流
8、、导桨叶协联关系不准确等原因,机组运行中会造成水力振动,是引起转轮室焊缝裂纹的重要因素之一1,5。转轮室壁厚参数选取设计标准下限值,使其结构强度减弱,抗振动性能降低。电厂机组常用于电网调峰,监测发现机组经常处于或者频繁通过不利工况负荷区域运行,加大尾水压力脉动和水力不平衡载荷,引起转轮室产生振动,造成转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝受到大的交变应力作用,加快角焊缝疲劳破坏6,7。3.5 安装工艺因素转轮室和伸缩节检修时,为防止伸缩节漏水,检修人员往往将伸缩节压板螺栓过度拧紧,造成转轮室振动行程严重不足,而受到过大的交变应力作用,造成伸缩节压板螺栓断裂或者转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝产生
9、裂纹。综合上述分析,某贯流式机组转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝属于应力集中部位,由于转轮室壁厚选取设计标准下限值,壁厚薄,结构强度减弱,稳定性下降。此外,转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝结构复杂,焊接质量较差,容易存在焊接缺陷。安装时,伸缩节压板螺栓容易过度拧紧,造成转轮室轴向振动和径向振动行程严重不足。由于上述不利因素存在,在机组运行振动交变应力作用下,转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝容易产生疲劳,造成裂纹在焊接缺陷位置萌发和扩展。4 处理思路针对转轮室伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝反复产生裂纹的情况,根据裂纹产生的原因,从以下几个方面制定处理思路和措施。4.1 加焊外加强筋和内侧护板
10、转轮室-X 和+X 方向伸缩段合缝法兰与直锥段角焊缝附近区域各加焊 4 条加强筋,上、下瓣转轮室各加焊 2 条加强筋,以加强转轮室伸缩节合缝法兰与直锥段连接区域结构强度。在转轮室产生裂纹部位所对应的内侧过流区域焊接 1 块增强护板,钢板尺寸(长 宽 厚)200 mm250 mm12 mm。4.2 保证焊接质量制定和选用合理的焊接工艺,选用高水平焊工,保证焊接质量,防止产生裂纹、未熔合、咬边、气孔、焊缝表面成形差等缺陷。焊接完成后对焊缝过渡区域进行修磨,保证圆弧过渡质量良好。焊接完成冷却至室温 24 h 后,补焊区域无损检测验收合格。4.3 改善伸缩节安装工艺由于转轮室密封需要,其合缝法兰有橡胶
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