灯泡式机组转子支臂裂纹原因分析及处理方法研究

梁 湘 津

（五凌公司洪江水力发电厂，湖南 怀化 418200）

前言

目前，我国大型灯泡式发电机组技术设计主要效仿欧洲同类机组，对于转子等重要转动部件在焊接力学参数选取、材料结构设计、安全系数配合等方面经验数据不足，故在国内常见到灯泡式机组裂纹缺陷的研究报道。洪江水电厂投产采用的是当时国内单机容量最大、发电水头最高的灯泡式贯流机组，但投入商业运行后不到2年时间便出现了转子支臂裂纹问题。技术监督规程规定：存在裂纹缺陷的转动部件不允许长期运行。为避免转子返厂修理或者整体更换等不利局面，电厂必须尽快制定现场修复方案，并制定防止裂纹复发的专项措施。

1 发电机设备简介

洪江水电厂位于洪江区上游4.5km处，是沅水梯级开发规划的重要梯级工程，工程以发电为主，兼有灌溉、航运等综合效益。电厂安装有6台当时国内最大的灯泡贯流式机组，单机容量 45MW，额定水头20m。发电机基本参数见表1。

表1 发电机参数表

发电机转子由转子支架、磁轭和磁极等部件组成。转子直径为5289mm，转子磁轭轴向长度2060mm，转子重量98000kg；转子支架为圆盘式焊接结构，是一个整体焊接件，支架重量 51000kg；转子中心体材料为18MnMoNb，厚度为 100mm；筋板材料为 16Mn，厚度为20mm。

2 支臂裂纹前期处理

2003年，电厂在#3、#4、#5发电机转子支臂检查中发现转子支架斜筋与轮毂之间的K型坡口及补强角焊缝表面存在多处裂纹，这些缺陷主要位于转子支臂上、下游两侧并呈断续状分布于各处筋板焊缝中，部分裂纹已经母材延伸，部分检查记录见表2。

表2 组裂纹情况

发现转子支臂裂纹缺陷后，电厂从材料强度、热处理工艺等方面查找裂纹产生原因，进一步检查发现：转子支臂焊缝表面打磨质量较差，局部区域存在着尖锐的突起和凹陷，有未熔合、咬边等现象。这些表面缺陷显著降低焊缝的疲劳强度，容易引起焊缝局部应力集中，初步认定裂纹产生是由于转子制造时焊接操作不规范所至。

2004～2005年间，电厂利用机组检修机会，对转子支臂裂纹进行处理。修复方案如下：

（1）焊接前用MT和UT检测确认裂纹已清除干净，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响焊接质量的油、水、气等有害物质。

（3）采用氧－乙炔火焰加热方法将焊接坡口及其附近区域的母材均匀加热至120℃～150℃，预热温度的测量点位于坡口边缘10mm处。

（4）焊接方法：手工电弧焊，选用J507（f3.2mm）电焊条。

（5）焊后对表层焊道进行锤击，以焊缝表面产生明显的屈服为合格。

（6）打磨、补焊后24h，探伤人员对修补区域进行MT/PT探伤检查。

2006年，随着前期转子支臂裂纹修补工作进行，探伤检查又发现了裂纹复发等问题，主要表现为：筋板一侧补焊时，另一侧出现裂纹；焊后24h探伤时没有裂纹，机组投运后再次探伤时发现裂纹；焊缝表面的横向裂纹较修补以前数量更多。技术人员进一步改进焊接工艺，采用提升焊前预热温度和焊后保温等方法。但在接下来的处理过程中，仍发生裂纹复发情况，说明该处理方案仍存在不足，未能从根本上消除裂纹产生问题。而且多次重复挖补、加热、焊接转子支架筋板焊缝，势必造成焊接热影响区金属晶粒粗大，降低焊缝结构强度，严重的可能造成转子支架整体变形、报废，电厂必须尽快探索出一条支臂裂纹处理新思路。

3 转子支臂裂纹原因深入分析

2007年，电厂邀请湖南省电力试研院专家开展了转子支臂外观检测和探伤、母材与焊材金相分析。分析报告认为：16Mn钢材主要组织为细晶铁素体和珠光体，淬硬倾向比低碳钢大。18MnMoNb属于 Mn-Mo系含Mo钢，它的强度级别较16Mn更高，合金元素含量较多，高温转变区较稳定，焊接冷却下来很易得到贝氏体和马氏体。因此，18MnMoNb其冷裂纹倾向随着强度级别的提高而增大，对冷裂纹的敏感程度大于16Mn。此后，电厂又通过组织开展焊接性能分析、焊接工艺分析等一系列试验和检测，进一步加深了对转子支臂裂纹原因的认识。

（1）转子支架采用柔性筋板连接转子中心体和磁轭，运行时交变应力通过筋板传递，筋板支臂焊缝成为转子结构中应力最集中的部位。

（2）转子中心体材料为18MnMoNb，筋板材料为16Mn，焊缝采用异种钢焊接，支臂焊缝设计截面积与筋板厚度几乎相等，焊缝强度设计明显低于母材强度。

（3）机组运行时，转子支架承受交变旋转力矩、轴向拉伸力、电磁力等共同作用，修复后复发的裂纹多产生在焊缝热影响区内，证明焊缝应对交变应力的疲劳强度设计不足。

（4）转子支架生产工艺和工序管理不到位，焊缝存在内部夹杂和表面缺陷，极大降低了焊缝强度。

（5）焊缝热影响区淬硬性比较明显。按照碳当量计算公式（CE(IIW)）：CE(IIW)= C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15(%)

表3 标准规定与发电机转子中心体、支臂材料化学成分对比表

从表三中可以看出, 转子中心体材料碳当量0.53%，而碳当量在0.4%～0.6%时淬硬倾向增加，冷裂纹敏感性较大，故母材焊缝淬硬倾向明显，易产生冷裂纹，焊接时需要采取预热措施。

在总结前期转子支臂焊缝修复经验的基础上，电厂提出了裂纹处理新思路：增加焊缝高度和宽度，解决焊缝强度不够等问题；采用超声波冲击消除焊缝残余应力的新技术，对焊缝表面、焊址及焊接接头强化处理以提高焊缝的抗疲劳强度；严格控制焊接工艺和工序，提高焊缝质量，改进焊前预热、焊后保温的时间和温度，最大可能消除焊接冷裂纹倾向；焊缝表面打磨，采用模具保证焊缝圆滑过渡，避免应力集中导致焊缝开裂。

4 转子支臂裂纹处理新工艺

电厂按照转子支臂裂纹处理新思路制定了新的修复工艺：首先彻底磨除原焊缝裂纹；然后对于焊接坡口深度大于5mm时，采用手工电弧焊填平，焊接坡口深度小于5mm时以及咬边、未熔合缺陷采用钨极氩弧焊修补；接着采用J507焊丝在原转子支臂焊缝处补焊两层，加高焊缝3～4mm、加宽焊缝4～6mm，进一步提升焊缝强度；最后进行表面打磨，圆滑过渡。

（1）焊接工艺见表4

表4 焊接工艺表

（2）支臂裂纹处理注意事项

由于转子角焊缝清除裂纹后坡口不规则，应采用对称焊接，减小焊接变形。当焊接变形过大时通过调整焊接顺序进行控制。焊接各层的焊接接头部位应错开。接头处在进行下一段焊接前，先清除焊缝附近的焊接飞溅物。

焊接速度不宜过快。应清理焊接熔合区域、层间焊道及焊接接头部位，避免产生夹渣等缺陷。焊道焊后应立即采用超声冲击设备，施以20000次/秒的高频锤击，消除焊接过程中产生的焊接应力，锤击后的焊道表面应产生明显的塑性变形。

对于两侧裂纹贯穿的焊缝，首先焊接筋板一侧至15mm深，然后在另一侧打磨清除裂纹，经PT探伤合格后，在另一侧进行焊接至15mm深，然后两面坡口进行交替焊接。

对于焊缝较长的焊缝和单侧坡口焊缝要求分段退步进行焊接，每段长度为160mm左右，焊接方向先从里向外，后由外向里交替进行焊接。焊接过程中除表层焊缝外采用超声锤击消除焊接应力。

焊接过程中应监测转子支架结构尺寸的变形量，焊接过程中根据百分表的平面度的变化情况，及时调整焊接顺序和焊接部位，如轴、径向局部变形量过大时，应停止焊接工作，分析原因并做出调整。

焊接修复的部位焊后需盖保温材料进行隔热，以使焊接区域缓慢冷却至室温以免出现冷裂纹和延迟裂纹。焊接完毕后进行手工打磨，表面进行磨光至R16mm，表面粗糙度为6.3以上，使用R型专用模具对比监测，保证焊缝表面圆滑过渡，修复完毕24h后进行无损检测。

5 结语

2008年底，洪江电厂按照转子支臂裂纹处理新工艺先后完成了4台机组裂纹处理，处理后检测未发现裂纹，转子整体变形控制适当，重要部位振动、摆度检测无异常，机组投入运行。

2010年以来，电厂坚持定期进行转子支臂探伤抽查，未发现焊缝裂纹有大范围复发情况，通过两个汛期长时间、满负荷运行检验，电厂采用新方案处理的转子支臂焊缝裂纹达到了预期的效果。

[1]胡天明, 潘荣宝, 等.超声波探伤[Z]. 武汉:武汉测绘大学出版社, 1999.

[2]姜政权. 水轮发电机及其检修[M]. 北京: 中国工人出版社, 1987.

[4]GB 50205- 2001, 钢结构工程施工质量验收规范[S].