貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪室水平法蘭裂紋防治問(wèn)題研究

王 佩，陳 明

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 凌津?yàn)╇姀S，湖南 常德 415731)

轉(zhuǎn)輪室是燈泡貫流式機(jī)組重要的過(guò)流部件，是轉(zhuǎn)輪進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的重要場(chǎng)所[1]。轉(zhuǎn)輪室裂紋是燈泡貫流式機(jī)組的常見(jiàn)缺陷之一，目前已在紅花，百龍灘，貢川，株溪口，水口等多個(gè)電廠發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題[2-3]。其中，凌津?yàn)╇姀S的轉(zhuǎn)輪室為上下兩瓣式結(jié)構(gòu)，通過(guò)水平法蘭上下連接，轉(zhuǎn)輪室球形段，過(guò)渡段和過(guò)渡段各有一道周向環(huán)筋。自機(jī)組運(yùn)行以來(lái)，多臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪室都陸續(xù)發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋位置均為過(guò)渡段環(huán)筋與水平法蘭的連接處的焊縫位置，且經(jīng)焊接修復(fù)后，裂紋仍反復(fù)出現(xiàn)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，裂紋位置如圖1紅圈內(nèi)區(qū)域所示。

圖1 裂紋位置示意圖

1 裂紋原因分析

應(yīng)力集中是凌津?yàn)╇姀S轉(zhuǎn)輪室裂紋的主要原因之一，對(duì)轉(zhuǎn)輪室進(jìn)行受力仿真分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪室整體受力變形最大位置位于水平法蘭球面端與過(guò)渡段之間，與裂紋實(shí)際發(fā)生位置一致，可以斷定，裂紋發(fā)生的主要原因?yàn)闄C(jī)組運(yùn)行時(shí)，水平法蘭球面端與過(guò)渡段之間位置變形偏大，同時(shí)此處剛好為過(guò)渡段環(huán)筋的位置，轉(zhuǎn)輪室變形受到過(guò)渡段環(huán)筋的束縛，導(dǎo)致應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)輪室受力后總體變形的仿真分析如圖2所示。同時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪室過(guò)渡段的材質(zhì)與環(huán)筋的材質(zhì)不同，轉(zhuǎn)輪室過(guò)渡段的材質(zhì)為馬氏體不銹鋼鋼板0Cr13Ni5Mn，屈服極限為550 MPa，環(huán)筋的材質(zhì)為40厚碳鋼鋼板Q235，強(qiáng)度極限僅為215 MPa，在兩種材料的相交處強(qiáng)度應(yīng)按較弱材料Q235考核，環(huán)筋與水平法蘭連接焊縫相比強(qiáng)度偏低，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，在過(guò)渡段環(huán)筋與水平法蘭連接焊縫裂紋產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖2 轉(zhuǎn)輪室受力總體變形圖

此外，凌津?yàn)╇姀S的轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)輪尺寸較大，轉(zhuǎn)輪直徑為6.9 m,而電站最大水頭僅為13.2 m，高程差造成轉(zhuǎn)輪室及葉片受力不均衡的比例較大。同時(shí)凌津?yàn)╇姀S的轉(zhuǎn)輪室較長(zhǎng)，為4.25 m，轉(zhuǎn)輪室整體剛強(qiáng)度偏低[4]，同時(shí)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水體較重，也會(huì)造成轉(zhuǎn)輪室受力狀態(tài)不良。轉(zhuǎn)輪室受力狀況不良的主要反映為運(yùn)行振動(dòng)偏高，振動(dòng)幅值隨機(jī)組負(fù)荷增加而增加，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電廠轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)值超過(guò)500 μm，國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組大部分振動(dòng)在300 μm左右，轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)偏大影響轉(zhuǎn)輪室壽命，也是導(dǎo)致疲勞裂紋產(chǎn)生的原因。

2 環(huán)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

針對(duì)轉(zhuǎn)輪室變形受到過(guò)渡段環(huán)筋的束縛導(dǎo)致應(yīng)力集中及環(huán)筋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度偏低的問(wèn)題，本文對(duì)環(huán)筋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究，核心思想是將過(guò)渡段環(huán)筋的合適位置割除一部分并替換為帶槽的高強(qiáng)度鋼板，通過(guò)開(kāi)槽將應(yīng)力進(jìn)行釋放，從而降低轉(zhuǎn)輪室過(guò)渡段環(huán)筋與水平法蘭連接焊縫應(yīng)力值，并減小轉(zhuǎn)輪室過(guò)渡段環(huán)筋與水平法蘭結(jié)構(gòu)剛度，增加彈性變形量，避免應(yīng)力集中，使其保證應(yīng)力值控制在材料屈服極限的0.1倍左右，從而防止疲勞裂紋的發(fā)生。

本文結(jié)合仿真分析，對(duì)開(kāi)槽的形狀，位置等進(jìn)行了深入研究和對(duì)比分析，得出以下幾項(xiàng)研究成果：一是相對(duì)于V型槽和方形槽，半圓形槽仿真的應(yīng)力情況最優(yōu)，二是綜合考慮應(yīng)力水平和施工難度，在轉(zhuǎn)輪室水平法蘭合縫面兩側(cè)各更加一個(gè)半圓形槽的方案最優(yōu)，三是開(kāi)槽位置離合縫面距離不能太遠(yuǎn)，否則對(duì)改善環(huán)筋和水平法蘭合縫面焊縫處應(yīng)力作用較小，同時(shí)為避免焊接對(duì)水平法蘭密封的影響，開(kāi)槽距離以300～400 mm為宜。

綜合考慮以上研究成果，最終確定的過(guò)渡段環(huán)筋優(yōu)化方案如圖3所示，在轉(zhuǎn)輪室水平法蘭與過(guò)渡段環(huán)筋位置分半面365 mm處，將舊環(huán)筋各割除400 mm，將其替換成材質(zhì)為馬氏體不銹鋼的帶半圓形溝槽的高強(qiáng)度筋板，筋板周邊三個(gè)方向開(kāi)坡口焊接。由于環(huán)筋與轉(zhuǎn)輪室本體的材質(zhì)不同，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格注意焊接工藝，選擇合適的焊條、焊接速度和焊接電流等，焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。半圓形槽的半徑為120 mm，既能獲得良好的應(yīng)力釋放效果，又能保證環(huán)筋的強(qiáng)度。

圖3 環(huán)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化后示意圖

環(huán)筋優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)，通過(guò)過(guò)渡段環(huán)筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，原裂紋產(chǎn)生位置，即轉(zhuǎn)輪室水平法蘭與過(guò)渡段筋板相交處的應(yīng)力大幅降低，最大應(yīng)力位置變更為筋板半圓形槽口底部位置，但由于該部位已更換為高強(qiáng)度不銹鋼筋板，屈服應(yīng)力達(dá)到550 MPa，且最大應(yīng)力處于筋板本體不在焊縫位置，不會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。此外，新、舊筋板的焊縫位置應(yīng)力水平也比較低，完全滿足Q235材料的使用要求。因此，該過(guò)渡段環(huán)筋優(yōu)化方案可以有效避免疲勞裂紋的產(chǎn)生，且由于更換筋板的焊接位置與水平法蘭合縫面距離大于300 mm，焊接過(guò)程不會(huì)對(duì)水平法蘭的密封造成影響。

圖4 環(huán)筋優(yōu)化后應(yīng)力仿真圖

3 轉(zhuǎn)輪室減振研究

凌津?yàn)╇姀S轉(zhuǎn)輪室為懸臂式結(jié)構(gòu)，且受轉(zhuǎn)輪安裝空間限制，機(jī)坑長(zhǎng)度(即水輪機(jī)懸空水體長(zhǎng)度)設(shè)計(jì)相對(duì)較長(zhǎng)[5],機(jī)坑長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)輪直徑之比為0.906，轉(zhuǎn)輪室長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)輪直徑之比為0.616。對(duì)我國(guó)近期相似貫流電站的懸空水體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，凌津?yàn)┑臋C(jī)坑長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)輪直徑比和轉(zhuǎn)輪室與轉(zhuǎn)輪直徑比均為相似機(jī)組中的最大值，僅株溪口比值與凌津?yàn)╇娬鞠嘟?，但也小于凌津?yàn)╇娬?。株溪口電廠的轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)幅值也較大，達(dá)到252～514 μm，且株溪口電廠的轉(zhuǎn)輪室也曾發(fā)生過(guò)裂紋缺陷。發(fā)現(xiàn)過(guò)裂紋缺陷的東坪電廠與百龍灘電廠，懸空比也相對(duì)偏高。其中，部分電廠的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 我國(guó)近期相似貫流電廠的懸空水體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

針對(duì)凌津?yàn)╇姀S轉(zhuǎn)輪室懸空長(zhǎng)度偏長(zhǎng)導(dǎo)致受力狀況差，并進(jìn)一步導(dǎo)致振動(dòng)偏大的問(wèn)題，電廠擬在后續(xù)的機(jī)組整體改造中，將轉(zhuǎn)輪槳葉與樞軸一體的結(jié)構(gòu)更改為槳葉與分開(kāi)的結(jié)構(gòu)。這樣轉(zhuǎn)輪安裝時(shí)的限制尺寸就由轉(zhuǎn)輪的長(zhǎng)度尺寸轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)輪體的外徑尺寸，大大縮小了安裝限制空間尺寸。轉(zhuǎn)輪改造后，可以將下游側(cè)混凝土側(cè)墻向上游側(cè)增加1 m，機(jī)坑尺寸由6.25 m減小至5.25 m，并同時(shí)縮短轉(zhuǎn)輪室的長(zhǎng)度，此時(shí)機(jī)坑長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)輪直徑之比降低為0.761，轉(zhuǎn)輪室長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)輪直徑之比降低為0.471。通過(guò)縮短轉(zhuǎn)輪室長(zhǎng)度，可以提高轉(zhuǎn)輪室整體的剛強(qiáng)度，減少轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水體體積，降低水力因素對(duì)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)的影響，改善機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

轉(zhuǎn)輪室是水輪機(jī)重要的過(guò)流部件，轉(zhuǎn)輪室裂紋若不進(jìn)行防治，可能產(chǎn)生貫穿性裂紋，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6-7]。本文針對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因，對(duì)過(guò)渡段環(huán)筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合電廠后續(xù)的整機(jī)改造計(jì)劃，提出了轉(zhuǎn)輪室減振方案。其中，過(guò)渡段環(huán)筋優(yōu)化方案實(shí)施后經(jīng)觀察機(jī)組運(yùn)行狀況良好，可以在其他同類型的裂紋防治問(wèn)題中推廣應(yīng)用。