賈瑞燕，楊 震，田井成，喬宏來(lái)，張偉華，趙佳祥

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

某水電站3#機(jī)組發(fā)電機(jī)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(duì)稱延長(zhǎng)后加厚加強(qiáng)，見(jiàn)圖1。檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)未加強(qiáng)的一個(gè)內(nèi)筋板與上環(huán)板焊縫根部發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，裂紋為貫穿性，徑向長(zhǎng)度約730 mm，見(jiàn)圖2。經(jīng)受力分析[1]，為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，采用在內(nèi)筋板內(nèi)側(cè)焊接補(bǔ)強(qiáng)鋼板的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)。

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(jī)頂軸把合連接，見(jiàn)圖3，配合面平面度精度要求高。而現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)產(chǎn)生的變形會(huì)對(duì)上環(huán)板把合配合面平面度產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致頂軸運(yùn)行擺幅增大，造成機(jī)組振動(dòng)。由于焊接過(guò)程產(chǎn)生殘余應(yīng)力在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法完全消除，從而產(chǎn)生焊接變形。因此，現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)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(fù)方案的難點(diǎn)分析

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

裂紋焊接修復(fù)，受上下圓盤(pán)剛度偏大的影響，會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)焊縫軸向收縮受限，產(chǎn)生較高的軸向拘束力。焊后殘余應(yīng)力大小受焊接過(guò)程控制及焊后消除應(yīng)力措施影響，可能成為再次開(kāi)裂紋危險(xiǎn)源。

為避免筋板再次開(kāi)裂，經(jīng)論證提出了筋板補(bǔ)強(qiáng)的方案，但方案存在下列難點(diǎn)：

修復(fù)過(guò)程產(chǎn)生熱輸入產(chǎn)生的殘余變形對(duì)轉(zhuǎn)子支架中心體上環(huán)板與發(fā)電機(jī)頂軸把合平面的形變影響及控制是修復(fù)難點(diǎn)之一；

開(kāi)裂的內(nèi)筋板側(cè)面帶有轉(zhuǎn)子引線，靠近補(bǔ)焊區(qū)域，修復(fù)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)子引線的防護(hù)、拆卸及安裝是修復(fù)難點(diǎn)之二；

轉(zhuǎn)子引線在補(bǔ)強(qiáng)鋼板位置處分成兩股，見(jiàn)圖4，其中一股需穿過(guò)補(bǔ)強(qiáng)鋼板，即需在補(bǔ)強(qiáng)鋼板上根據(jù)轉(zhuǎn)子引線實(shí)際位置配開(kāi)豁口，這為補(bǔ)強(qiáng)鋼板的裝配帶來(lái)較大難度。

圖4 轉(zhuǎn)子引線位置

2 修復(fù)方案及工藝措施

為保證轉(zhuǎn)子中心體運(yùn)行工況下的動(dòng)平衡，采取在開(kāi)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(bǔ)強(qiáng)鋼板，且考慮到降低焊接應(yīng)力集中的因素，確定焊接補(bǔ)強(qiáng)鋼板修復(fù)方案，焊接結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖5，計(jì)算得出補(bǔ)強(qiáng)后筋板的應(yīng)力水平可降低74.8%。

圖5 焊接補(bǔ)強(qiáng)鋼板修復(fù)方案

為減小焊接變形，修復(fù)過(guò)程中需制定合理的焊接順序及焊接規(guī)范。

2.1 焊前準(zhǔn)備

采取的防護(hù)措施對(duì)操作現(xiàn)場(chǎng)各部件進(jìn)行防護(hù)，拆卸妨礙焊接的轉(zhuǎn)子引線。

對(duì)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(jìn)行100%的PT探傷檢查，對(duì)缺陷的分布、尺寸及性質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)并做記錄。

在頂軸進(jìn)行百分表架設(shè)及框式水平的布置，在焊接過(guò)程中進(jìn)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(bǔ)焊

采用碳弧氣刨及機(jī)械磨削的方法清除裂紋。沿長(zhǎng)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(bǔ)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(jìn)行施焊，每段約200～220 mm。分段跳焊，蓋面前在背側(cè)進(jìn)行焊縫清根，并進(jìn)行PT探傷檢查確認(rèn)，再進(jìn)行背面焊縫焊接，填滿焊接坡口。

焊接過(guò)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(yīng)使用C6B風(fēng)鏟立即進(jìn)行適度的錘擊消除焊接殘余應(yīng)力。

焊后清理，焊縫磨平進(jìn)行UT和PT探傷檢查，探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷執(zhí)行。焊縫端部300 mm范圍內(nèi)進(jìn)行焊縫打磨處理，不允許存在應(yīng)力集中點(diǎn)，同時(shí)進(jìn)行拋光處理。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)鋼板裝配

確定出補(bǔ)強(qiáng)鋼板接觸的區(qū)域，將該區(qū)域進(jìn)行打磨露出金屬光澤，經(jīng)PT探傷檢查無(wú)任何缺陷，PT探傷檢查標(biāo)準(zhǔn)按ASME第Ⅷ卷附錄8執(zhí)行。

補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)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(wú)任何缺陷。

按設(shè)計(jì)圖紙，裝配不穿引線的補(bǔ)強(qiáng)鋼板，補(bǔ)強(qiáng)鋼板與筋板和上環(huán)板間隙均勻且控制“貼合越嚴(yán)密越好”，必要時(shí)通過(guò)打磨進(jìn)行調(diào)整，錯(cuò)口不大于1 mm，垂直度不大于1 mm。合格后搭焊固定，見(jiàn)圖6。

圖6 不穿引線的補(bǔ)強(qiáng)鋼板裝配

帶引線的加強(qiáng)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(shí)際驗(yàn)證。使用樣板在加強(qiáng)板上劃出配割線，按線手工氣割，配割出豁口，見(jiàn)圖7。割面打磨光滑，試裝轉(zhuǎn)子引線，見(jiàn)圖8，合格后再按上述要求進(jìn)行裝配。

圖7 配開(kāi)豁口位置

圖8 轉(zhuǎn)子引線穿過(guò)補(bǔ)強(qiáng)鋼板

2.4 焊接工藝

按圖9所示的焊接順序進(jìn)行焊接，1到5段的焊接需兩面交替依次進(jìn)行，6、7最后進(jìn)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(qiáng)度等級(jí)GB ER50—6焊絲進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)參見(jiàn)表1。

表1 焊接參數(shù)

焊接過(guò)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(bǔ)償裝配間隙，可適當(dāng)加大焊腳尺寸。焊接后，對(duì)圖6中位置6、7進(jìn)行圓角過(guò)渡打磨清理，表面粗糙度不高于1.6,并進(jìn)行PT探傷檢查。探傷檢查應(yīng)在焊接完成24 h后進(jìn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

補(bǔ)強(qiáng)后的轉(zhuǎn)子支架運(yùn)行工況良好，且未再次產(chǎn)生裂紋，取得很好效果，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子支架中心體內(nèi)筋板開(kāi)裂的成功修復(fù)。該項(xiàng)目使哈電積累了現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，為今后同類型缺陷的處理提供了依據(jù)。

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