灯泡贯流式机组转轮室裂纹原因分析与处理

彭建平

（四川嘉陵江新政航电开发有限公司，四川 仪陇 637600）

贯流式水轮发电机组是当前一种常见反击式水轮发电机组，广泛应用于低水头大流量的水电站。机组属于卧轴结构，引水部件、转轮、排水部件都在一条轴线上，水流平直通过转轮叶片的卧轴、轴流式水轮机。灯泡贯流式机组的发电机组安装在密封的、外形酷似灯泡的壳体中，水轮机安装在灯泡的插口处，因此称这种机组为灯泡贯流式机组。这种机组发电机主轴与水轮机转轮水平连接。水流基本上轴向通过流道，轴对称流过转轮叶片，然后流出直锥形尾水管。机组的轴系支承结构、导轴承、推力轴承都布置在灯泡体内。由于灯泡贯流式机组适用水头范围广，效率高，较其他类型贯流式机组有突出的优点，因而在国内外得到广泛应用。

一、灯泡贯流式机组发电厂房的特点和发展状况

国内低水头水力资源十分丰富,尤其是华东、中南等沿海地区。灯泡贯流式机组水电站是开发低水头水力资源较好的方式,一般应用于25m水头以下,它与中高水头水电站、低水头立轴轴流式水电站相比,具有如下显著的特点:(1)机组从进水到出水水流方向基本上是轴向贯通,过流通道形状简单、水力损失少、施工方便。(2)灯泡贯流式水轮机具有较高的过流能力和较大的比转速,所以在水头和功率相同的条件下,灯泡贯流式水轮机直径要比转桨式水轮机直径小10%左右。(3)灯泡贯流式机组结构紧凑,与同一规格的转桨式机组相比其尺寸较小,故可布置在坝体内,取消了复杂的引水系统,减少了厂房的建筑面积以及电站的开挖量和混凝土量。根据有关资料分析,灯泡贯流式机组发电厂房的土建费用可以节省20%～30%。近年来,作者所在的公司先后修建了多个闸坝类型的水电站,如武胜的秀观水电站、南充的小龙门、凤仪水电站、阆中的金银台、沙溪水电站、金溪的水电站、仪陇新政水电站等。以上水电站均采用了灯泡贯流式发电机组,其中最大的灯泡贯流式发电机组为金银台水电站,单机容量为40MW。

二、灯泡贯流式机组转轮室裂纹原因分析

（一）转轮室结构设计原因

新政电站贯流式机组水轮机转轮室由于结构的特殊性，其上端侧通过法兰与外配水环固定相连，下端侧嵌入补偿节内，但又与补偿节之间存在一定间隙，用以安装伸缩节密封条，其结构类似悬臂梁式布置。那么，在机组运行中，由于机组振动，离上端固定支撑点越远其振幅越大，对转轮室破坏就越大。因此，对贯流式机组来说，转轮室结构对强度要求很高；强度过低，转轮室极易产生裂纹。同时，在重量方面，新政电站水轮机转轮室总重量为27t，转轮室内部最小直径为6142mm，转轮室长度为3000mm，比其他电站同类型同尺寸的灯泡贯流式机组转轮室重量要轻许多，主要原因是新政电站转轮室40mm的厚度比其他机组薄。而且，也有转轮室内部过流面流线设计欠缺、运行工况较差等因素，使机组转轮室内部过流面极易产生气蚀，修复打磨造成转轮室本体厚度减薄，影响转轮室的强度，产生裂纹。

（二）裂纹产生原因分析：

1.转轮室安装结构类似悬臂梁式布置，加之转轮室本体厚度偏薄，机组运行时离上端固定支撑点越远其振幅越大，对转轮室破坏就越大，容易产生裂纹。

2.焊缝质量可能局部存在缺陷，在机组振动使得对接焊缝区域反复受力，因疲劳导致缺陷扩展，产生裂纹。

3.焊缝相对集中，在“T”字焊缝接头处存在应力集中现象，不能很好释放因振动产生的附加应力及焊后的残余应力，在焊缝应力集中处诱发裂纹。

三、裂纹处理

根据产生裂纹的原因分析结果，3f机组转轮室裂纹使用现场焊接方式进行处理，严格按照施工方案及工艺执行，处理过程包括：（1）进一步确认裂纹的长度、深度等参数，为裂纹的完全处理奠定基础；（2）对转轮室本体焊接裂纹和筋板焊接裂纹进行处理；（3）焊接之后对焊缝磨平、探伤确认。

（一）对肉眼能观察出裂纹的焊缝区域及附近500mm区域所有纵向和横向焊缝按ASME进行100%UT探伤，确定焊缝的裂纹的长度和深度并进行标识，确保所有焊缝缺陷能全部检测到，防止遗漏。

（二）转轮室本体和加固筋板均有裂纹出现，需要分别对转轮室本体和加固筋板进行焊接处理，待转轮室本体焊接处理检测合格后，再将转轮室与筋板焊接为一体。

（三）探伤前需做好清理表面油漆及打磨探伤面的工作，探伤打磨区域由探伤人员指定；按工艺要求：贯穿性裂纹清理，须用碳弧气刨清理一面至2／3深度并形成焊接坡口，再打磨坡口表面，按工艺要求并预热后封焊至1／2－2／3板厚度。由于转轮室本体厚度为40mm，厚度较厚且为贯穿性裂纹，按照焊接工艺需要从内外两侧分别对转轮室本体裂纹进行处理。

（四）为防止碳弧气刨清理时裂纹延长，在远离裂纹源30mm处打止裂孔，止裂孔可由钻头或碳弧气刨枪进行，止裂孔大小为φ20，共4处，其示意图如下：

（五）采用电加热器或采用火焰方式，对开裂处焊缝及周围100mm区域预热至50℃，用碳精棒将其缺陷清理干净（清理方向：从两端裂纹源往中间清理），然后采用砂轮机打磨方式，将渗碳层干净，对未清穿透的焊缝，清理后按ASME标准进行PT探伤，检查裂纹是否清理干净。

（六）为控制焊接变形，将开裂处或缺陷焊缝（包括探伤检查出的裂缝扩展区）处的坡口形式处理成 “X”型，角度为50°。用碳弧气刨枪清理焊缝外侧，深度为板厚的2/3，并焊接约20mm深，从内侧清根，清理后按ASME标准进行PT探伤（温度降至室温作PT）,确认焊缝裂纹清理干净。焊接前，预热温度为70℃。焊接时应在距离焊缝两侧350mm架设2只百分表监测焊接变形。（焊接采用CHS042O焊条）

（七）根据现场实际情况，安装轴流风机做好通风换气等安全保障工作，保护工作人员人身安全；用石棉布作好转轮体的保护工作，防止铁屑、焊接飞溅物等杂质进入转轮桨叶根部与转轮体形成的间隙内，防止桨叶动作时拉伤配合面。

（八）焊接时先焊接满内侧坡口,外侧坡口清根后焊满；为了保证焊接质量，控制焊接变形，应将焊缝分为2段进行；对每小段之间的焊缝接头处，必须进行清理打磨，每层焊缝之间的接头应错开至少20mm。

（九）除底层和盖面层外，每焊一层均应即时锤击以释放焊接应力和防止变形过大；焊接后采用保温毯保温缓冷，冷却至室温后打磨焊缝，并在24小时后按ASME标准进行UT+PT探伤。

（十）转轮室所有检查出的裂纹焊接完成并探伤合格后，应分4个方向检查转轮室直径尺寸；盘车检查8个方向桨叶间隙，保证桨叶间隙在合格范围内，防止机组运行时转轮桨叶与转轮室发生摩擦。

（十一）按上述要求处理合格后，方可投入运行，在运行期间，应注意监测转轮室修复处或其他区域有无裂纹再次出现在的，若再次产生裂纹应立即停机，重新处理。

3f转轮室裂纹处理完毕后即刻投入试运行，在运行过程中发现机组振动过大，经新政电站与检修公司讨论后认为，转轮室焊缝处可能因为应力消除不够而导致变形，决定再次停机处理。事实上也证实了这个猜测，转轮室内补焊的位置由于应力未消除到位发生形变，与桨叶的间隙过小，从而导致机组振动过大。对焊缝处重新打磨并测量桨叶间隙确认符合检修标准后，3f重新进行试运行，振动过大的现象得到了消除。

之所以出现这种现象，是现场处理时转轮室部件尺寸过大，回火很难达到要求，加之在仓促开机造成的。这也是这次抢修过程中经验不足的表现，应当吸取教训，以更好的积累经验，为今后的检修工作作出积极的指导。

结束语

灯泡贯流式机组目前已在国内得到广泛应用，设备运行和检修经验的不断积累，可以使设备设计和制造的工艺水平逐步提高，不断改进设备性能，增强其可靠性和稳定性。本文列举了灯泡贯流式机组检修中所遇到的一种典型故障，并介绍了其分析处理和改进的方法，其中也包含了一些新型的检修工艺和故障诊断方法，新材料的应用等，可以有效地提高检修效率和检修质量。据了解，嘉陵江流域阆中金银台水电站、逢安金溪水电站、仪陇新政水电站转轮室结构基本一样，三个电站转轮室均出现过裂纹，有的部位是反复出现，如果只是对裂纹进行补焊处理，不能达到彻底消除设备安全隐患目的；为保证机组安全运行，以上三个电站与设计、制造成厂家最终达成更换转轮室的方案，通过增加转轮室壁厚、加宽转轮室不锈钢面积、转轮室外部增加加强筋板等技术改造措施，目前已全部完成转轮室更换工作，经过近5年运行观察，以上三个电站均没有出现转轮室裂纹现象，彻底解决了机组运行时转轮室出现裂纹的重大安全隐患。