红旗水电站贯流式机组转轮室裂纹分析及处理

李 进 博， 易 吉 军

(四川嘉陵江苍溪航电开发有限公司，四川 广元 628400)

红旗水电站贯流式机组转轮室裂纹分析及处理

李 进 博， 易 吉 军

(四川嘉陵江苍溪航电开发有限公司，四川 广元 628400)

通过介绍红旗水电站贯流式机组转轮室合缝板角焊缝处裂纹产生的原因和采取的处理方法，为贯流式机组转轮室合缝板角焊缝的结构设计和工艺处理提供了一定的参考。

贯流式机组；转轮室；裂纹；应力集中；红旗水电站

1 概 述

红旗水电站位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江广元至重庆段梯级开发的第三级。电站装有3台单机容量22MW的三叶片灯泡贯流式机组，年设计发电量2.66亿kW·h。机组的额定水头为6.1m，转轮直径7.2m，转轮室为全马氏体不锈钢，采用钢板模压结构，分上下两瓣，结合面采用法兰连接。

2016年1月，运行人员在检查2#机组伸缩节漏水问题时，发现转轮室靠尾水管侧上下半部合缝板角焊缝处有沿圆周方向的贯穿性裂纹。经对另外2台机组转轮室进行全面的检查和探伤，发现在同样的位置均有不同程度的裂纹存在。其中1#机组裂纹总长度为625mm, 最大裂纹深度为43mm；2#机组裂纹总长度为230mm，约有30mm裂纹为贯穿性裂纹；3#机组裂纹总长度为330mm，约有230mm裂纹为贯穿性裂纹(图1)。

图1 转轮室合缝板角焊缝处裂纹图

2 裂纹产生原因分析

2.1 结构工艺方面

对比同一厂家在嘉陵江下游凤仪水电站灯泡贯流式机组合缝板角焊缝处的结构(图2)可以看出：红旗水电站机组合缝板角焊缝处收缩比较剧烈；而凤仪水电站合缝板角焊缝处收缩比较平缓，转轮室合缝板到伸缩节之间有一个过渡段，且其为分段施焊，有利于应力消除。另外，厂家图纸要求合缝板角焊缝处的焊缝宽度应为20mm，而现场实际的焊缝宽度仅有5mm。经对材料疲劳应力进行计算得知：转轮室材料的永久疲劳应力幅为50MPa。当合缝板角焊缝宽度为20mm时，最大应力为56.5MPa，应力幅为28.3MPa，能够满足疲劳设计要求；而当合缝板角焊缝宽度为5mm时，最大应力为128.3MPa，应力幅为64.2MPa，无法满足疲劳设计要求，易造成焊缝开裂。

图2 红旗与凤仪水电站合缝板角焊缝结构对比图

2.2 运行方面

振动偏大是灯泡贯流式机组转轮室的普遍现象[1]，也是容易引起转轮室裂纹的因素之一。对此，我们调取了1#机组在5MW、10MW、15MW、20MW、22MW等5个工况下转轮室的振动数值。经对比得知：转轮室各工况振动数值均在厂家给定的振动幅值范围(0.2～0.5mm)内，但与下游凤仪水电站的振动数据相比，其振动数值平均大0.1～0.2mm。

综上所述，我们认为：3台机组产生裂纹的根本原因是角焊缝处结构收缩过渡不够以及焊缝未严格按工艺要求施焊所致。而机组运行中的交变应力和振动作用只是在一定程度上加速了裂纹产生，为次要原因。

3 裂纹的处理

因裂纹处理工期等问题，在综合评估的基础上，先期采用了在跨裂纹中心焊接临时补强筋板的方法以保证裂纹不再发生扩展，具体方法为：

(1)先用砂轮机磨除尾部裂纹，从裂纹终止端向裂纹发生端磨除深度5～15mm并磨出U型焊接坡口，裂纹清除干净后进行修补焊接。

(2)沿裂纹走向将补强板点焊在裂纹两侧，然后将厚度为20mm、材质为Q235的加强筋板焊接到补强板，起到加固拉紧作用，然后将楔子板打入加强筋板中心孔内以增加加强筋板的拉紧作用。将加强筋板的间距控制在150～200mm，且在尾部裂纹后100mm处需多增加一块加强筋板。

(3)在上下半部合缝板角焊缝处分别焊接一块三角加强筋板，将合缝板与转轮室母材连接到一起，起结构过渡和消除应力的作用(图3)。

图3 角焊缝临时加固处理示意图

在机组检修时，采用转轮室内外施焊的方法彻底消除裂纹，具体方法为：

(1)考虑到裂纹焊接处理过程中可能会使转轮室合缝板密封槽产生一定的变形，故先在不拆吊转轮室的状态下处理非合缝板处的壳体裂纹。

(2)壳体裂纹处理前，割除临时处理时合缝板角焊缝处的三角加强筋板，按原设计图纸工艺要求焊宽度为20mm的角焊缝，并在两侧磨出R10的圆角后，再加焊一块长50mm、宽30mm的补强板条，连接合缝板和转轮室壳体，进行结构过渡。

(3)对于壳体裂纹，从内外两侧清除裂纹和临时处理的补焊，对内腔裂纹磨出25～30mm的坡口，由内腔开始施焊，再从外侧清根焊透。

(4)对于合缝板处的裂纹，先拆开上部转轮室，进行合缝位置的裂纹清除和补焊处理，然后对合缝面和密封槽进行修模处理及装配。

目前，电厂在完成3台机组裂纹临时加固处理的基础上，已完成了对1#、2#机组裂纹的永久处理。运行观察结果表明：3台机组运行稳定，未发现新的裂纹。

4 结 语

灯泡贯流式机组作为当前开发低水头资源的经济适用性机型，已在国内外广泛应用。但因其为卧式布置，承受交变应力，同时转动惯量小，Tw/Ta值相应较大，水力振动对其影响亦较大[2]，如在结构和工艺上稍有欠缺，很容易造成转轮室金属构件产生裂纹，影响其正常安全运行，实为设计、制造人员必须考虑和注意的问题。

[1] 田海平，周 乐，马廷武，张贵松.灯泡贯流式机组转轮室结构安全研究[J].水力发电学报，2012，31(4)：227-231

[2] 梁湘津.洪江水电厂贯流式机组金属结构问题探讨[C].北京:第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷)，2006．

(责任编辑：李燕辉)

2016-09-09

TV7;TV734;TV

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1001-2184(2017)01-0108-02

李进博(1982-)，男，甘肃景泰人，副总经理，工程师，硕士，从事水电厂生产经营与管理工作；

易吉军(1983-)，男，四川营山人，工程师，从事水电厂生产运行工作.