安康水力发电厂 陕西安康 725000
摘要：通过对安康水电厂4号机组尾水管凑合节焊缝裂纹检测分析，评价了裂纹、气蚀等缺陷产生的原因，提出了补焊处理方法及需要注意的一些问题,对水电厂尾水管凑合节裂纹补焊处理具有一定的参考作用。
关键词：水电厂、凑合节、裂纹、补焊
一、概述
安康水电厂共安装有四台型号为HL220—LJ—550的200MW水轮发电机组，已投入运行二十多年。在历年的检修工作中发现，四台发电机组的尾水管凑合节焊缝都出现了长度不等的穿透性裂纹和大面积气蚀，裂纹总长度均约16000mm（凑合节板厚30mm）。针对凑合节焊缝频繁出现裂纹的问题，我们进行了深入详细的调查和分析，并针对产生原因提出了具体措施并重新制订了焊接方案，改进了焊接工艺，取得了良好成效。
二、裂纹发生的部位及特征
在水轮机安装中，尾水管补气装置与基础环为两个成品件，按各自中心和高程要求调整加固后，中间留有一间隔，最后用钢板补齐，而形成凑合节。它由多块30mm厚的面板、20mm厚的立筋和20mm厚的背衬板拼焊而成。而凑合节裂纹主要产生于基础环和凑合节连接焊缝。
(基础环和凑合节焊接示意图)
为了彻底了解4号机尾水管凑合节裂纹情况，我们对凑合节裂纹进行了全面检测。发现4号机尾水管凑合节与基础环的环形连接焊缝几乎全部穿透性开裂，用钢板尺测量裂纹长度、裂口宽度。检查出的裂纹用记号笔等工具醒目地标示出具体位置，并做好记录，以便查阅。裂纹检测结果：凑合节焊缝裂纹总长约16500mm，
三、凑合节与基础环连接焊缝裂纹产生的原因分析
造成凑合节与基础环连接焊缝裂纹的原因较多，主要有运行工况原因引起的金属疲劳破坏，和补焊工艺不合理等原因引起的焊缝强度不足。下面主要从以下六个方面进行初步分析：
1、机组长期在非最优工况下运行，机组振动加剧，导致凑合节钢板振动，引起金属材料的疲劳破坏。一般情况下，在非最优工况时，水流在尾水管中发生旋转形成一种对称真空涡带，引起尾水管中水流速度和压力脉动，在尾水管进口处产生汽蚀破坏，造成尾水管振动。而基础环、尾水管凑合节又处于下止漏环出水侧形成的环形间隙汽蚀区，在气泡溃灭高速作用下，加速了基础环、凑合节处金属材料、焊缝的疲劳破坏。再则凑合节面板后部混泥土存在空腔，在间隙汽蚀破坏和交变应力（周期性的压力脉动）等作用下发生疲劳破坏,更加速了焊缝开裂。
2、焊接技术措施不合格引起的焊接应力集中。过去在凑合节焊缝裂纹在补焊时，没有严格执行焊接技术措施中要求的分段对称焊接工艺，裂纹坡口一次刨削长度较大。如09年的3号机大修，为加快工作进度，安排电焊工将总长度约16000mm的凑合节焊缝裂纹一次刨削完毕，导致焊接过程中母材变形较大，焊后甚至无法恢复凑合节原有线型，产生较大的焊接应力集中，加剧了焊缝裂纹的产生。
3、坡口刨削工艺不合格。由于裂纹的尾部内应力接近材料的极限强度, 裂纹末端没有打止裂孔，刨削时在外力或热应力的影响下还会继续延伸；尾水管凑合节钢板厚达30mm，电焊工在裂纹处理过程中存在旧焊缝刨削不彻底、坡口形式、角度及深度不符合要求，裂纹未刨削至根部，导致无法焊透，造成焊缝薄弱，抗裂强度降低。
4、补焊过程中内应力消除措施不到位。焊接过程中没有及时消除焊接应力。焊接时没有或很少用风铲锤击焊缝消除焊接应力，使焊缝内部形成较大的应力集中。
四、针对原因采取的措施
1、机组运行时应尽量减少空载工况运行时间,不在振动区运行。增减负荷时，快速通过机组固有几个低负荷振动区。从而减少振动源，减缓金属材料的疲劳破坏。
2、尾水管凑合节焊缝裂纹较长，为防止焊接技术措施不合格引起的焊接应力集中和产生焊接变形，保证焊接质量，必须分段对称进行焊接。将凑合节以补气短管为界均匀的划分成八个大段，每段长约2000mm，从尾水管人孔门顺时针方向按1--8号进行编号，每大段再分别均分为6小段，按A、B、C、D、E、F号进行编号，每小段长约360mm，用红色油漆标注清楚。焊接开始后，四名焊工同时开始焊接单号大段里的A小段，合格后再转为焊接双号大段的A小段，并以此类推，直至全部焊接完毕。
3、制定严格的焊接坡口制备、验收措施如下：
（1）在清除裂纹制备坡口前需在裂纹的末端打止裂孔截断裂纹,阻止裂纹的延伸。止裂孔钻直径为8ｍｍ的孔,一般孔深比裂纹深度大4～6ｍｍ。
（2）焊接坡口形式的设计应尽量减少焊缝的横截面积，以降低接头的残余应力，同时也可减少焊接材料的填充量。
（3）长裂纹为防止产生焊接变形，应分段进行处理，每段长度不得超过500mm。裂纹的铲除采用速度快、操作简便的碳弧气刨对裂纹进行清理，沿裂纹走向开出合格的焊接坡口。防止刨除裂纹时因温度影响原裂纹的延伸,应由止裂孔处向裂纹反方向清除裂纹,直到去除裂纹为止。
（4）开好的坡口用角向磨光机和旋转锉磨掉表面渗碳氧化层，直至露出母材的金属光泽，制备成合格的坡口，并确认坡口两侧附近100mm内经着色探伤检验无其他缺陷，（可用放大镜），直至肉眼看不见裂纹痕迹为止。坡口几何尺寸见下图所示。
（5）为保证质量，焊前必须清除干净焊接区钢板表面的水分，坡口表面的氧化皮、锈斑、油脂以及其他污物。清理干净的坡口要用浓度为20%的硫酸溶液进行酸洗检查，其目的一是钝化坡口面，清除坡口面上的油污，二是通过酸洗发现坡口内更细小的裂纹。
以上环节每完成一个步骤，分别严格按照班组自检、分场复检、生技部验收的三级验收机制进行验收，每一个环节验收合格后，由验收人签字生效后方可进行下一步工序。
五、裂纹的焊接工艺
1、施焊时采用较小焊接线能量，多层多道焊的方法，短弧施焊，先焊裂纹坡口U型的两边部，后焊中间焊道，接头应错开以减少焊接应力。
2、在施焊时焊条做直线运条，不做横向摆动，每条焊道厚度不超过
2--3mm，每道焊缝要层熔化上一道焊缝的1/3宽度以上，收弧时将弧坑填满，避免弧坑裂纹的产生。
3、每焊完一道焊缝后，立即用风铲在红热状态跟踪锤击焊缝，以便消除焊接应力，但穿透性裂纹打底焊不锤击，以防开裂。风铲锤头应采用园扁型的，不能使用棱角尖锤。
4、焊后检验。采用“着色渗透探伤法”进行无损探伤检测，焊缝表面不得出现裂纹、夹渣、气孔等缺陷，否则必须重新进行施焊。
5、焊接工艺参数
6、焊后混泥土基础灌浆处理。当所有裂纹全部焊接完毕后，再由水工分场对混泥土基础空腔区域进行混凝土灌浆处理，2号机共使用近8吨纯水泥，才将空腔填满，可见凑合节裂纹对机组的安全运行影响极大。
六、处理成效
经上述方法补焊处理、机组正常运行一年后，再次对1、2、3、4号机组的凑合节焊缝进行检查时，发现凑合节焊缝无再次开裂现象。4号发电机机组经过4年的运行，2015年12月大修时，检查发现凑合节裂纹2200mm，补焊部位裂纹比四年前减少近14000mm，焊缝周围气蚀情况也比以前明显减轻。由此证明，上述处理方法合理有效，处理效果明显，值得在我厂及其他相类似水电站推广。
参考文献：
1、《焊接手册》机械工业出版社 2007年
2、《应变疲劳分析手册》科学出版社 1987年
3、《焊接材料手册》中国电力出版社 2008年
论文作者:汪卫强,孟海涛
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/26
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