某電站水輪機導流環(huán)脫落原因分析及處理

【摘?要】某水電站機組運行一年后停機檢修，發(fā)現座環(huán)導流環(huán)焊縫均不同程度出現裂紋，其中1號和2號機導流環(huán)有部分撕裂脫落，給轉輪葉片帶來損壞風險，從而影響機組安全穩(wěn)定運行。導流板是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，還應有較大的剛度保證其穩(wěn)定性和安全性。本文從結構和焊接質量兩個方面進行分析，查找原因確定有效處理方法，確保機組安全穩(wěn)定運行。

【關鍵詞】水輪機;導流環(huán);焊縫裂紋;脫落

1概述

某水電站采用堤壩式開發(fā)，電站廠房布置于壩后主河道，總裝機容量為3000MW，安裝5臺600MW的混流式機組。單獨運行時保證出力478.0MW、年發(fā)電量120.68億kW·h、年利用小時數為4023h。其中1～3號水輪機由通用電氣水電設備（中國）有限公司設計制造，4～5號水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司設計制造。機組運行一年后停機檢修，發(fā)現座環(huán)導流環(huán)焊縫均不同程度出現裂紋，其中1號和2號機導流環(huán)有部分有脫落，給轉輪葉片帶來損壞風險，從而影響機組安全穩(wěn)定運行。導流板是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，還應有較大的剛度保證其穩(wěn)定性和安全性。本文主要從結構和焊接質量兩個方面進行分析，查找原因確定有效處理方法，確保機組安全穩(wěn)定運行。

2 原因分析

2.1結構

機組水輪機座環(huán)導流環(huán)分上導流環(huán)和下導流環(huán)[1]。1～3號水輪機導流環(huán)為開口式結構見圖1，由28塊厚度為10mm鋼板卷弧后與座環(huán)環(huán)板焊接形成導流環(huán)，一長邊與座環(huán)通過焊接連接接，相鄰導流板之間通過弧形筋板焊接連接進行補強。4～5號水輪機導流環(huán)采取封閉式結構見圖2，由28塊厚度為10mm鋼板卷弧后兩長邊分別與座環(huán)環(huán)板和蝸殼焊接形成封閉的導流環(huán)，內部有加勁板進行補強，增加其強度及剛度。導流環(huán)的作用主要是使進人固定導葉的水流形成穩(wěn)定的環(huán)流，平穩(wěn)地過渡到固定導葉的進口[2]。

導流環(huán)的裂紋主要由交變載荷引起，在水流脈動壓力的變化所產生的不規(guī)則動載荷對導流板產生反復的水力沖擊作用下產生疲勞破壞。從結構上看，開口式結構的導流環(huán)，機組運行時水流直接沖擊導流板內外表面及加勁板上，至少三個面受到復雜的水力作用而疲勞破壞，導致1號、2號機導流環(huán)有部分撕裂脫落。而封閉式結構僅外表面受力，結構相對合理。

2.2焊接質量

經觀察發(fā)現，撕裂脫落和存在裂紋的導流板焊縫均為座環(huán)分瓣面處，為座環(huán)安裝焊接完成后工地安裝焊接的導流板接縫，說明焊接時沒有嚴格執(zhí)行焊接工藝要求、焊接難度相對較大，導致焊接質量差。導流環(huán)材質為Q235A，座環(huán)上、下環(huán)板材質S355JO+N-Z35，因此導流板與座環(huán)環(huán)板為兩種不同材質的焊接，焊接工藝要求高，控制不到位容易產生裂紋等缺陷。

3 處理措施

3.1結構改進

結構改進主要針對開口式導流環(huán)，在每塊導流板頂部增設一塊材質與導流板相同橫向補強板如圖3示，增強導流環(huán)的結構強度，降低其疲勞破壞的頻率。導流板安裝前，先清理打磨導流板焊接坡口以及座環(huán)環(huán)板上相應位置。按對應的標記將相應的導流板安裝就位。檢查并調整導流板間過流面的錯牙，導流板過流面錯牙應不超過3mm，局部錯牙大于3mm。對不可調整的部位，如過流面?zhèn)龋捎?：4的焊縫過渡;對于非過流面?zhèn)?，采?：3的焊縫過渡。

3.2焊接

全面導流環(huán)，如有焊縫開裂、弧形板嚴重變形的，則做好標記，對所有導流板與弧形筋板連接處尾端加焊長、焊角高度6～8mm進行加固。對僅存在裂紋的導流環(huán)采用炭弧氣刨的方式，將撕裂部位附近約10mm范圍刨除，并用砂輪機將焊口修磨光滑，留出焊接坡口。加強筋板與導流環(huán)環(huán)形接口部位也需要留出約10mm焊道。

3.2.1焊前準備

（1）焊條選用J507焊條。焊前焊條須經300～350℃烘焙1小時，烘焙后的焊條應保存在100～150℃的恒溫箱內，藥皮應無脫落和明顯的裂紋。

（2）焊前將坡口兩側50mm內油污、鐵銹、油漆等影響焊接質量的雜物清理干凈，并打磨坡口露出金屬光澤。

3.2.2焊接工藝

（1）焊接參數見下表1：

（2）焊縫焊接前預熱溫度為80℃，層間溫度不能低于預熱溫度，層間溫度≤250℃。

（3）焊接過程中除底層、表層焊縫不進行錘擊外，對其余各層焊縫逐層進行錘擊，減少焊縫的殘余應力。

（4）焊接過程中上、下層的焊縫的接頭處要錯開30mm～50mm。每道焊寬不大于焊條直徑的3倍。

（5）加強筋板焊接完成后，再進行導流板與座環(huán)、導流板板與加強筋板的焊接。

（6）焊接過程中，采用小焊條、多層、多道焊接，控制焊接質量以及焊接應力。

（7）焊接完成24h后，對焊縫進行外觀檢查和滲透無損檢測合格。

4結語

導流環(huán)是水輪機重要部件之一，不僅要有足夠的強度，而且要有較大的剛度保證其穩(wěn)定性和安全性。導流板的裂紋主要由交變載荷引起，在水流脈動壓力的變化所產生的不規(guī)則動載荷對導流板產生反復的水力沖擊作用下產生疲勞破壞[3]。對導流板裂紋和撕裂脫落原因進行分析，并制定解決方案。為以后相同廠家設計制造或同類型水輪機導流板結構形式時，及時改進或變更設計，提高設備可靠性，保證機組安全穩(wěn)定運行，避免蝸殼內長時間作業(yè)，降低作業(yè)風險，減少檢修維護費用。

參考文獻：

[1] 哈爾濱大電機研究所.水輪機設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1976.125-127.

[2] 段開林，張波.三峽左岸電站ALSTOM機組導流板應力試驗研究[J].水電站機電技術，2007（12）：30（6）.

[3] 周書濤.水輪機蝸殼導流板靜力與動力分析研究 [J].華中科技大學碩士學位論文，2007（6）.

作者簡介：

李進強（1983-）男，彝，云南.景東，本科，工程師，從事金屬結構設備及水輪發(fā)電機組運行維護技術管理。

（作者單位：大唐觀音巖水電開發(fā)有限公司）