东风发电厂4号机组蝶阀伸缩节导流环撕裂原因分析与处理

        0 概述
        东风发电厂位于贵州省清镇市与黔西县交界的鸭池河河段上，在三岔河和六冲河汇合口下游8km，为乌江流域梯级开发的第2级电站，装机容量3×190MW+1×125MW，为地下式厂房。4号机组装机容量为125MW，进水蝶阀型号为42000×7pk41x-19Mn，为洪城机械股份有限公司生产，配套伸缩节为长沙东屋机电有限责任公司产品，型号为4200SJTB-19Mn。2005年12月4号机组投入发电运行，2009年4月运行人员在巡检时发现蝶阀内有异常的撞击声，该声音随机组负荷增大而增大，后将机组转检修后检查，发现导流环与伸缩节结构型伸缩管环板的焊缝出现大量裂纹，同时导流环瓦片撕裂被水冲掉约3m长一段。东风发电厂随即组织了专业技术人员讨论分析裂纹的形成原因，并咨询了厂家设计人员，制定了详细的导流环缺陷处理方案。
        1 导流环产生缺陷的原因分析
        1.1 结构材质的影响
        东风发电厂导流环材质为0Cr18Ni9Ti不锈钢，厚度为δ4mm，导流环瓦面上均匀分布若干个Ф40mm的均压孔。导流环缺陷发生后，请有资质的单位对当时材质进行了检验，金属材料方面没有明显问题，可以排除由于材质不当或者材质劣化等造成导流环产生裂纹的因素。但导流环本体结构圆周尺寸较大，而厚度较薄，和伸缩节结构型环板之间只有一道焊缝连接，导流环长期处于高速水流和经常的压力脉动中，材料的变形容易引起导流环的受力不均匀。另外，导流环在结构设计上也存在不合理＊的地方，导流环的出水边外侧有结构型环板可以起到部分定位作用，但导流环内侧却无任何的定位装置，因此，导流环厚度较薄和设计结构上的欠缺应该是导流环产生焊缝缺陷的因素之一。
        1.2 安装工艺和施工质量的影响
        经现场对损坏的导流环外观检查，蝶阀导流环在安装焊接过程中，导流环与伸缩节结构型环板的焊缝外观形成不良，存在多处咬边和未溶合现象。另外，出水侧与伸缩管内环面贴合不好导致导流环本体局部悬空，在机组运行过程中，由于水力冲刷和压力脉动影响致焊缝产生疲劳从而加剧了裂纹的扩展。
        1.3 机组运行方式的影响
        导流环长期受到机组运行时水流的冲刷，尤其是机组带高负荷时大流量高速水流的冲刷，极易导致导流环焊缝疲劳产生裂纹。另外，机组频繁调整负荷过程或机组在振动区运行时，压力的脉动使得压力钢管内产生紊流，加剧了导流环各部的受力不均匀。东风发电厂水轮发电机组经常担任调峰调频任务，虽然采取了一系列措施尽量避开机组的振动区运行，但由于机组频繁的开停机和机组AGC投入后负荷的频繁调整，水头变化较大，机组难免会经常穿越振动区域或在振动区域附近运行。因此，机组的高负荷运行和在振动区域的运行应该也是造成导流环焊缝产生裂纹损坏的原因之一。
        2 导流环缺陷处理情况
        2.1 导流环结构型式的改进
        为解决导流环强度不够的问题，同时又能使导流环安装后的高度不超出伸缩节结构型伸缩管环板，决定将4mm厚的0Cr18Ni9Ti不锈钢导流环更换为6mm厚的，同时将导流环的瓦片宽度加大30～50mm，使导流环出水边与蝶阀伸缩管内环面接触的同时又能保证导流环在水流方向有30mm左右的伸缩裕量。
        为加强导流环下游侧的定位，在靠近导流环出水边的伸缩管内环面圆周上均匀布置焊接16个不锈钢压块，用以限制导流环板在径向上的运动，同时又不影响导流环在水流方向上的自由伸缩调节。为了减小压块对水流流态的影响和防止压块产生气蚀，特将压块打磨成流线型。
        2.2 导流环瓦片的制作安装工艺
        2.2.1 导流环瓦片加工制
        按照原导流环尺寸进行加工制作，为便于安装，将整个导流环均分成4块，每块导流环板在加工时将焊接边的坡口打好，便于安装时焊接。加工图见图1。

图1 导流环瓦片加工结构示意图

        2.2.2 导流环安装工艺
        安装导流环前，先用厚度为20mm的钢板加工6对楔子板（见图2）和8个“7”字块（见图3），安装时，先将需要安装的导流环瓦片的一头定位在伸缩节结构型环板焊接位置上，然后利用加工好的“7”字块分别点焊在导流环进、出水边结构型环板的内环面上，再用加工好的楔子板将需要安装的导流环瓦片楔紧定好位（见图4），最后将定位好的导流环瓦片用不锈钢焊条点焊牢固。取掉已点焊好的导流环瓦片位置的“7”字形的工具和楔子板，重新定位和点焊下一段导流环瓦片，重复以上过程，将需要安装的导流环瓦片全部点焊固定好。

图2 楔子板

图3 7字块

图4 导流环安装定位示意图

        2.3 导流环的焊接工艺
        2.3.1 焊材的选择
        由于伸缩节导流环的材质为0Cr18Ni9Ti不锈钢，而伸缩节结构型环板的材质为19Mn，焊接对象为2种不同材质钢，经研究后决定放弃原用的适用于0Cr18Ni9Ti不锈钢焊接的A102不锈钢焊条，重新选用了在异种钢之间焊接性能更好的A302不锈钢焊条来焊接。
        2.3.2 焊接方法的选择
        导流环的焊接采用手工电弧焊（SMAW）进行焊接，选用φ3.2mmA302不锈钢焊条。导流环安装的高度不能超出伸缩管内壁平面，导流环与厚壁件的组装间隙≤1.0mm，导流环纵缝组装间隙≤1.0mm，导流环纵缝错牙≤0.5mm，焊接采用多层、多道、分段、对称、退步焊接方法，整个环缝采取内外对称、上下对称、分段倒退、多层多道焊接方法，分段长度400～600mm。在每道焊缝完成后均用风铲进行消应处理，导流环与结构型环板的焊接应无裂纹、未熔合、咬边、夹渣、气孔等缺陷，外观质量合格。
        3 结束语
        东风发电厂4号机组导流环缺陷处理后经过近两年的运行，导流环本体及焊缝都完好无损，压块也无明显气蚀现象。这充分证明了此次导流环的处理方法和焊接工艺是正确的。设备缺陷的处理只有建立在科学分析的基础上，采取正确的处理工艺和方法才能达到设计要求的各项性能指标，从而也才能保证设备的安全稳定运行。