水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板補強現(xiàn)場焊接修復工藝

賈瑞燕，楊 震，田井成，喬宏來，張偉華，趙佳祥

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某水電站3#機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)側(cè)均布六塊徑向筋板(頂部截面800 mm×20 mm)，其中四塊對稱延長后加厚加強，見圖1。檢修時發(fā)現(xiàn)未加強的一個內(nèi)筋板與上環(huán)板焊縫根部發(fā)生開裂現(xiàn)象，裂紋為貫穿性，徑向長度約730 mm，見圖2。經(jīng)受力分析[1]，為保證機組安全穩(wěn)定運行，采用在內(nèi)筋板內(nèi)側(cè)焊接補強鋼板的方式進行現(xiàn)場焊接修復。

圖1 轉(zhuǎn)子支架中心體示意圖

圖2 內(nèi)筋板裂紋

因轉(zhuǎn)子支架中心體上環(huán)板與發(fā)電機頂軸把合連接，見圖3，配合面平面度精度要求高。而現(xiàn)場焊接修復產(chǎn)生的變形會對上環(huán)板把合配合面平面度產(chǎn)生一定影響，嚴重時可能導致頂軸運行擺幅增大，造成機組振動。由于焊接過程產(chǎn)生殘余應力在現(xiàn)場無法完全消除，從而產(chǎn)生焊接變形。因此，現(xiàn)場修復在保證焊接質(zhì)量的同時需最大程度控制焊接變形。

圖3 轉(zhuǎn)子支架中心體與頂軸連接示意圖

1 修復方案的難點分析

轉(zhuǎn)子支架在運行過程中承受電磁力、重力和離心力作用，經(jīng)計算，額定運行時的轉(zhuǎn)子支架中心體筋板應力大約40 MPa，最大應力出現(xiàn)在支臂下部，為169 MPa，滿足強度要求。對轉(zhuǎn)子支架起吊方式進行模擬分析，考慮轉(zhuǎn)子支架、磁極及磁軛重量，計算得出起吊工況最大應力位于中心體筋板位置，最大應力值為284 MPa，在材料屈服極限之下?？赡艿脑驗槠鸬踹^程中沒有足夠的螺栓預緊力，導致筋板受力不均勻，在起吊過程筋板承受較高應力，使焊縫出現(xiàn)初始裂紋。在運行過程中，隨著機組交變載荷作用，裂紋逐漸發(fā)展。

裂紋焊接修復，受上下圓盤剛度偏大的影響，會導致焊接時焊縫軸向收縮受限，產(chǎn)生較高的軸向拘束力。焊后殘余應力大小受焊接過程控制及焊后消除應力措施影響，可能成為再次開裂紋危險源。

為避免筋板再次開裂，經(jīng)論證提出了筋板補強的方案，但方案存在下列難點：

修復過程產(chǎn)生熱輸入產(chǎn)生的殘余變形對轉(zhuǎn)子支架中心體上環(huán)板與發(fā)電機頂軸把合平面的形變影響及控制是修復難點之一；

開裂的內(nèi)筋板側(cè)面帶有轉(zhuǎn)子引線，靠近補焊區(qū)域，修復過程對轉(zhuǎn)子引線的防護、拆卸及安裝是修復難點之二；

轉(zhuǎn)子引線在補強鋼板位置處分成兩股，見圖4，其中一股需穿過補強鋼板，即需在補強鋼板上根據(jù)轉(zhuǎn)子引線實際位置配開豁口，這為補強鋼板的裝配帶來較大難度。

圖4 轉(zhuǎn)子引線位置

2 修復方案及工藝措施

為保證轉(zhuǎn)子中心體運行工況下的動平衡，采取在開裂的內(nèi)筋板(有轉(zhuǎn)子引線)及其圓周方向?qū)ΨQ位置的內(nèi)筋板共兩處焊接補強鋼板，且考慮到降低焊接應力集中的因素，確定焊接補強鋼板修復方案，焊接結(jié)構(gòu)示意圖見圖5，計算得出補強后筋板的應力水平可降低74.8%。

圖5 焊接補強鋼板修復方案

為減小焊接變形，修復過程中需制定合理的焊接順序及焊接規(guī)范。

2.1 焊前準備

采取的防護措施對操作現(xiàn)場各部件進行防護，拆卸妨礙焊接的轉(zhuǎn)子引線。

對轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)側(cè)筋板焊接區(qū)域及與臨近區(qū)域進行100%的PT探傷檢查，對缺陷的分布、尺寸及性質(zhì)進行確認并做記錄。

在頂軸進行百分表架設(shè)及框式水平的布置，在焊接過程中進行監(jiān)控記錄，作為焊接工藝調(diào)整的依據(jù)。

2.2 裂紋清除及補焊

采用碳弧氣刨及機械磨削的方法清除裂紋。沿長度方向以裂紋為中心，打磨制備焊接坡口，坡口深度約為15 mm，坡口角度為40～45°。焊接前，徹底清理去除補焊區(qū)域及其20 mm范圍內(nèi)的油、銹、水、油漆、探傷劑等有害雜質(zhì)。

整條焊縫分成四段進行施焊，每段約200～220 mm。分段跳焊，蓋面前在背側(cè)進行焊縫清根，并進行PT探傷檢查確認，再進行背面焊縫焊接，填滿焊接坡口。

焊接過程中，控制層間溫度不大于60℃，除打底層和蓋面層焊道不錘擊外，其余每層焊道焊后應使用C6B風鏟立即進行適度的錘擊消除焊接殘余應力。

焊后清理，焊縫磨平進行UT和PT探傷檢查，探傷檢查標準按ASME第Ⅷ卷執(zhí)行。焊縫端部300 mm范圍內(nèi)進行焊縫打磨處理，不允許存在應力集中點，同時進行拋光處理。

2.3 補強鋼板裝配

確定出補強鋼板接觸的區(qū)域，將該區(qū)域進行打磨露出金屬光澤，經(jīng)PT探傷檢查無任何缺陷，PT探傷檢查標準按ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。

補強的筋板與上環(huán)板焊縫端部，采用碳弧氣刨去除立面圓根焊縫，以便補強鋼板與筋板貼緊。氣刨后打磨去除滲碳層至露出金屬光澤，經(jīng)PT探傷檢查無任何缺陷。

按設(shè)計圖紙，裝配不穿引線的補強鋼板，補強鋼板與筋板和上環(huán)板間隙均勻且控制“貼合越嚴密越好”，必要時通過打磨進行調(diào)整，錯口不大于1 mm，垂直度不大于1 mm。合格后搭焊固定，見圖6。

圖6 不穿引線的補強鋼板裝配

帶引線的加強板，裝配前自制樣板模型劃出需配割的輪廓線，劃線偏差控制在5 mm以內(nèi)，并經(jīng)實際驗證。使用樣板在加強板上劃出配割線，按線手工氣割，配割出豁口，見圖7。割面打磨光滑，試裝轉(zhuǎn)子引線，見圖8，合格后再按上述要求進行裝配。

圖7 配開豁口位置

圖8 轉(zhuǎn)子引線穿過補強鋼板

2.4 焊接工藝

按圖9所示的焊接順序進行焊接，1到5段的焊接需兩面交替依次進行，6、7最后進行焊接，滿足圖紙要求。

圖9 焊接順序

焊接材料：母材為Q345材料，選取同強度等級GB ER50—6焊絲進行焊接，焊接參數(shù)參見表1。

表1 焊接參數(shù)

焊接過程中，采用較小的焊接工藝參數(shù)，焊接寬度不大于12 mm，為補償裝配間隙，可適當加大焊腳尺寸。焊接后，對圖6中位置6、7進行圓角過渡打磨清理，表面粗糙度不高于1.6,并進行PT探傷檢查。探傷檢查應在焊接完成24 h后進行。

3 結(jié)語

補強后的轉(zhuǎn)子支架運行工況良好，且未再次產(chǎn)生裂紋，取得很好效果，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂的成功修復。該項目使哈電積累了現(xiàn)場焊接修復經(jīng)驗，為今后同類型缺陷的處理提供了依據(jù)。

[1] 王書楓,王艷武.托口電站水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開裂問題分析與處理[J].上海大中型電機，2017(2):57-58.