燈泡式機(jī)組轉(zhuǎn)子支臂裂紋原因分析及處理方法研究

梁 湘 津

（五凌公司洪江水力發(fā)電廠，湖南 懷化 418200）

前言

目前，我國大型燈泡式發(fā)電機(jī)組技術(shù)設(shè)計主要效仿歐洲同類機(jī)組，對于轉(zhuǎn)子等重要轉(zhuǎn)動部件在焊接力學(xué)參數(shù)選取、材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全系數(shù)配合等方面經(jīng)驗數(shù)據(jù)不足，故在國內(nèi)常見到燈泡式機(jī)組裂紋缺陷的研究報道。洪江水電廠投產(chǎn)采用的是當(dāng)時國內(nèi)單機(jī)容量最大、發(fā)電水頭最高的燈泡式貫流機(jī)組，但投入商業(yè)運(yùn)行后不到2年時間便出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子支臂裂紋問題。技術(shù)監(jiān)督規(guī)程規(guī)定：存在裂紋缺陷的轉(zhuǎn)動部件不允許長期運(yùn)行。為避免轉(zhuǎn)子返廠修理或者整體更換等不利局面，電廠必須盡快制定現(xiàn)場修復(fù)方案，并制定防止裂紋復(fù)發(fā)的專項措施。

1 發(fā)電機(jī)設(shè)備簡介

洪江水電廠位于洪江區(qū)上游4.5km處，是沅水梯級開發(fā)規(guī)劃的重要梯級工程，工程以發(fā)電為主，兼有灌溉、航運(yùn)等綜合效益。電廠安裝有6臺當(dāng)時國內(nèi)最大的燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量 45MW，額定水頭20m。發(fā)電機(jī)基本參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)參數(shù)表

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等部件組成。轉(zhuǎn)子直徑為5289mm，轉(zhuǎn)子磁軛軸向長度2060mm，轉(zhuǎn)子重量98000kg；轉(zhuǎn)子支架為圓盤式焊接結(jié)構(gòu)，是一個整體焊接件，支架重量 51000kg；轉(zhuǎn)子中心體材料為18MnMoNb，厚度為 100mm；筋板材料為 16Mn，厚度為20mm。

2 支臂裂紋前期處理

2003年，電廠在#3、#4、#5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子支臂檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子支架斜筋與輪轂之間的K型坡口及補(bǔ)強(qiáng)角焊縫表面存在多處裂紋，這些缺陷主要位于轉(zhuǎn)子支臂上、下游兩側(cè)并呈斷續(xù)狀分布于各處筋板焊縫中，部分裂紋已經(jīng)母材延伸，部分檢查記錄見表2。

表2 組裂紋情況

發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子支臂裂紋缺陷后，電廠從材料強(qiáng)度、熱處理工藝等方面查找裂紋產(chǎn)生原因，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)子支臂焊縫表面打磨質(zhì)量較差，局部區(qū)域存在著尖銳的突起和凹陷，有未熔合、咬邊等現(xiàn)象。這些表面缺陷顯著降低焊縫的疲勞強(qiáng)度，容易引起焊縫局部應(yīng)力集中，初步認(rèn)定裂紋產(chǎn)生是由于轉(zhuǎn)子制造時焊接操作不規(guī)范所至。

2004～2005年間，電廠利用機(jī)組檢修機(jī)會，對轉(zhuǎn)子支臂裂紋進(jìn)行處理。修復(fù)方案如下：

（1）焊接前用MT和UT檢測確認(rèn)裂紋已清除干凈，并修磨焊接坡口角度40°左右。

（2）焊接前重新清理去除所有影響焊接質(zhì)量的油、水、氣等有害物質(zhì)。

（3）采用氧－乙炔火焰加熱方法將焊接坡口及其附近區(qū)域的母材均勻加熱至120℃～150℃，預(yù)熱溫度的測量點(diǎn)位于坡口邊緣10mm處。

（4）焊接方法：手工電弧焊，選用J507（f3.2mm）電焊條。

（5）焊后對表層焊道進(jìn)行錘擊，以焊縫表面產(chǎn)生明顯的屈服為合格。

（6）打磨、補(bǔ)焊后24h，探傷人員對修補(bǔ)區(qū)域進(jìn)行MT/PT探傷檢查。

2006年，隨著前期轉(zhuǎn)子支臂裂紋修補(bǔ)工作進(jìn)行，探傷檢查又發(fā)現(xiàn)了裂紋復(fù)發(fā)等問題，主要表現(xiàn)為：筋板一側(cè)補(bǔ)焊時，另一側(cè)出現(xiàn)裂紋；焊后24h探傷時沒有裂紋，機(jī)組投運(yùn)后再次探傷時發(fā)現(xiàn)裂紋；焊縫表面的橫向裂紋較修補(bǔ)以前數(shù)量更多。技術(shù)人員進(jìn)一步改進(jìn)焊接工藝，采用提升焊前預(yù)熱溫度和焊后保溫等方法。但在接下來的處理過程中，仍發(fā)生裂紋復(fù)發(fā)情況，說明該處理方案仍存在不足，未能從根本上消除裂紋產(chǎn)生問題。而且多次重復(fù)挖補(bǔ)、加熱、焊接轉(zhuǎn)子支架筋板焊縫，勢必造成焊接熱影響區(qū)金屬晶粒粗大，降低焊縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，嚴(yán)重的可能造成轉(zhuǎn)子支架整體變形、報廢，電廠必須盡快探索出一條支臂裂紋處理新思路。

3 轉(zhuǎn)子支臂裂紋原因深入分析

2007年，電廠邀請湖南省電力試研院專家開展了轉(zhuǎn)子支臂外觀檢測和探傷、母材與焊材金相分析。分析報告認(rèn)為：16Mn鋼材主要組織為細(xì)晶鐵素體和珠光體，淬硬傾向比低碳鋼大。18MnMoNb屬于 Mn-Mo系含Mo鋼，它的強(qiáng)度級別較16Mn更高，合金元素含量較多，高溫轉(zhuǎn)變區(qū)較穩(wěn)定，焊接冷卻下來很易得到貝氏體和馬氏體。因此，18MnMoNb其冷裂紋傾向隨著強(qiáng)度級別的提高而增大，對冷裂紋的敏感程度大于16Mn。此后，電廠又通過組織開展焊接性能分析、焊接工藝分析等一系列試驗和檢測，進(jìn)一步加深了對轉(zhuǎn)子支臂裂紋原因的認(rèn)識。

（1）轉(zhuǎn)子支架采用柔性筋板連接轉(zhuǎn)子中心體和磁軛，運(yùn)行時交變應(yīng)力通過筋板傳遞，筋板支臂焊縫成為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中應(yīng)力最集中的部位。

（2）轉(zhuǎn)子中心體材料為18MnMoNb，筋板材料為16Mn，焊縫采用異種鋼焊接，支臂焊縫設(shè)計截面積與筋板厚度幾乎相等，焊縫強(qiáng)度設(shè)計明顯低于母材強(qiáng)度。

（3）機(jī)組運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子支架承受交變旋轉(zhuǎn)力矩、軸向拉伸力、電磁力等共同作用，修復(fù)后復(fù)發(fā)的裂紋多產(chǎn)生在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，證明焊縫應(yīng)對交變應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度設(shè)計不足。

（4）轉(zhuǎn)子支架生產(chǎn)工藝和工序管理不到位，焊縫存在內(nèi)部夾雜和表面缺陷，極大降低了焊縫強(qiáng)度。

（5）焊縫熱影響區(qū)淬硬性比較明顯。按照碳當(dāng)量計算公式（CE(IIW)）：CE(IIW)= C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)

表3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心體、支臂材料化學(xué)成分對比表

從表三中可以看出, 轉(zhuǎn)子中心體材料碳當(dāng)量0.53%，而碳當(dāng)量在0.4%～0.6%時淬硬傾向增加，冷裂紋敏感性較大，故母材焊縫淬硬傾向明顯，易產(chǎn)生冷裂紋，焊接時需要采取預(yù)熱措施。

在總結(jié)前期轉(zhuǎn)子支臂焊縫修復(fù)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，電廠提出了裂紋處理新思路：增加焊縫高度和寬度，解決焊縫強(qiáng)度不夠等問題；采用超聲波沖擊消除焊縫殘余應(yīng)力的新技術(shù)，對焊縫表面、焊址及焊接接頭強(qiáng)化處理以提高焊縫的抗疲勞強(qiáng)度；嚴(yán)格控制焊接工藝和工序，提高焊縫質(zhì)量，改進(jìn)焊前預(yù)熱、焊后保溫的時間和溫度，最大可能消除焊接冷裂紋傾向；焊縫表面打磨，采用模具保證焊縫圓滑過渡，避免應(yīng)力集中導(dǎo)致焊縫開裂。

4 轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理新工藝

電廠按照轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理新思路制定了新的修復(fù)工藝：首先徹底磨除原焊縫裂紋；然后對于焊接坡口深度大于5mm時，采用手工電弧焊填平，焊接坡口深度小于5mm時以及咬邊、未熔合缺陷采用鎢極氬弧焊修補(bǔ)；接著采用J507焊絲在原轉(zhuǎn)子支臂焊縫處補(bǔ)焊兩層，加高焊縫3～4mm、加寬焊縫4～6mm，進(jìn)一步提升焊縫強(qiáng)度；最后進(jìn)行表面打磨，圓滑過渡。

（1）焊接工藝見表4

表4 焊接工藝表

（2）支臂裂紋處理注意事項

由于轉(zhuǎn)子角焊縫清除裂紋后坡口不規(guī)則，應(yīng)采用對稱焊接，減小焊接變形。當(dāng)焊接變形過大時通過調(diào)整焊接順序進(jìn)行控制。焊接各層的焊接接頭部位應(yīng)錯開。接頭處在進(jìn)行下一段焊接前，先清除焊縫附近的焊接飛濺物。

焊接速度不宜過快。應(yīng)清理焊接熔合區(qū)域、層間焊道及焊接接頭部位，避免產(chǎn)生夾渣等缺陷。焊道焊后應(yīng)立即采用超聲沖擊設(shè)備，施以20000次/秒的高頻錘擊，消除焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，錘擊后的焊道表面應(yīng)產(chǎn)生明顯的塑性變形。

對于兩側(cè)裂紋貫穿的焊縫，首先焊接筋板一側(cè)至15mm深，然后在另一側(cè)打磨清除裂紋，經(jīng)PT探傷合格后，在另一側(cè)進(jìn)行焊接至15mm深，然后兩面坡口進(jìn)行交替焊接。

對于焊縫較長的焊縫和單側(cè)坡口焊縫要求分段退步進(jìn)行焊接，每段長度為160mm左右，焊接方向先從里向外，后由外向里交替進(jìn)行焊接。焊接過程中除表層焊縫外采用超聲錘擊消除焊接應(yīng)力。

焊接過程中應(yīng)監(jiān)測轉(zhuǎn)子支架結(jié)構(gòu)尺寸的變形量，焊接過程中根據(jù)百分表的平面度的變化情況，及時調(diào)整焊接順序和焊接部位，如軸、徑向局部變形量過大時，應(yīng)停止焊接工作，分析原因并做出調(diào)整。

焊接修復(fù)的部位焊后需蓋保溫材料進(jìn)行隔熱，以使焊接區(qū)域緩慢冷卻至室溫以免出現(xiàn)冷裂紋和延遲裂紋。焊接完畢后進(jìn)行手工打磨，表面進(jìn)行磨光至R16mm，表面粗糙度為6.3以上，使用R型專用模具對比監(jiān)測，保證焊縫表面圓滑過渡，修復(fù)完畢24h后進(jìn)行無損檢測。

5 結(jié)語

2008年底，洪江電廠按照轉(zhuǎn)子支臂裂紋處理新工藝先后完成了4臺機(jī)組裂紋處理，處理后檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)子整體變形控制適當(dāng)，重要部位振動、擺度檢測無異常，機(jī)組投入運(yùn)行。

2010年以來，電廠堅持定期進(jìn)行轉(zhuǎn)子支臂探傷抽查，未發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋有大范圍復(fù)發(fā)情況，通過兩個汛期長時間、滿負(fù)荷運(yùn)行檢驗，電廠采用新方案處理的轉(zhuǎn)子支臂焊縫裂紋達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]胡天明, 潘榮寶, 等.超聲波探傷[Z]. 武漢:武漢測繪大學(xué)出版社, 1999.

[2]姜政權(quán). 水輪發(fā)電機(jī)及其檢修[M]. 北京: 中國工人出版社, 1987.

[4]GB 50205- 2001, 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范[S].