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摘 要：通过强度试验、振动特性试验等分析蝶阀活门裂纹原因，使用补强、修型等方法对进水口蝶阀活门进行修复，达到消除裂纹的效果。
关键字：进水口蝶阀活门 裂纹 修复
天生桥二级电站位于珠江水系红水河上游南盘江畔，为引水式发电站，装机6×220MW，电站设计水头176m，年平均发电量82亿千瓦时。天生桥二级电站于1983年初正式开工，1993年1月首台机组投产发电，2000年全部建成。#5-#6机组为二期工程，分别于2000年底投产发电。
天生桥二级电站水轮机进水口主阀为蝴蝶阀，通流直径为4.2m，为卧轴通流式、双平板、偏心、水力加重锤自关闭蝴蝶阀。两台机组蝶阀均由哈尔滨电机厂设计、制造生产。
1 蝶阀活门裂纹情况
2008—2009年#5、6机组年度检修中，均发现进水口蝶阀活门本体与筋板连接部位存在裂纹现象。
2011年02月＃6机组年度检修中，发现蝶阀活门本体筋板上游侧上部、下部，下游侧下部共三条裂纹，长分别为1170mm、390mm、360mm。
2012年3月＃6机组年度检修中，发现蝶阀活门筋板有1080mm的裂纹，#5机组蝶阀活门也出现与#6机组的相似情况。
针对出现蝶阀活门本体出现裂纹的情况咨询制造厂，根据制造厂意见，对裂纹进行打磨补焊处理，且每次补焊后对补焊区表面焊缝进行超声波探伤，没有发现超标缺陷。裂纹具体位置如图1所示。
2 蝶阀活门裂纹产生原因分析
2.1 蝶阀活门强度计算
天生桥二级电站#5-#6机组为二期工程，#1-#6机组压力钢管直径相同，#5-#6机组蝶阀与#1-#4机组蝶阀结构相类似。#1-#4机组蝶阀活门筋板较#5-#6机组多1块，且筋板与盖板厚度明显较#5-#6机组厚。故初步怀疑#5#6机组蝶阀活门强度不足为裂纹产生的主要原因。
采用ANSYS有限元程序模拟机组运行时的2种工况：活门静水关闭工况及升压工况。在额定水头及尾水位情况下，模拟分析裂纹产生位置以及蝶阀活门整体应力情况。
分析结果显示：在关闭工况下局部最大应力为164.5MPa，在升压工况下局部最大应力为222.0MPa。活门的平均应力和局部应力都低于许用应力，说明蝶阀活门的强度性能满足要求。故活门强度不是裂纹产生的原因。
2.2 活门振动特性试验及分析
对活门进行振动测试，将机组工况进行升负荷，从0MW到机组满负荷220MW，每个20MW作为测试工况点。考虑机组振动区的因素，再将机组负责从220MW降到180MW，每个10MW作为测试工况点。在每个工况点测量蝶阀的振动以及噪声数据。
通过测试，发现蝶阀振动与噪音数据在机组接近满负荷工况时，其主要频率基本吻合，其表现怀疑为蝶阀活门在水流中产生了卡门涡。针对噪声及振动测试情况，为查找蝶阀活门在运行过程中是否具备产生卡门涡共振的条件，进一步对蝶阀活门及其筋板进行了固有频率测试。测试结果表明，蝶阀活门盖板在水流中的固有频率与振动噪声数据在机组接近满负荷工况时相吻合，活门盖板出水边处具备卡门涡共振条件。最终通过试验数据表明蝶阀活门筋板裂纹产生主要为：在机组经常运行的接近满负荷工况下，蝶阀活门盖板出水边产生卡门涡并与盖板发生共振。长期共振产生的变应力作用下，使连接盖板与活门直接的筋板薄弱处产生疲劳裂纹。裂纹重复出现并且周期变短的原因为：重复补焊对筋板造成了应力集中，并造成了母材的性能有一定的下降。在卡门涡共振的作用下，裂纹重复在相同位置出现且周期变短。
3 蝶阀活门裂纹处理及防止裂纹产生措施
针对蝶阀活门裂纹产生的机理，有针对性地对蝶阀活门进行补强以及修型，从外部改变水流的振动频率，改变裂纹产生的工况环境；从内部改变蝶阀活门的固有振动频率并针对性地对应力集中点进行补强，根本上改变蝶阀活门裂纹产生的条件并从结构上加强蝶阀活门的强度，从而解决蝶阀活门重复发生裂纹的重大安全隐患。
3.1 裂纹修复
首先对表面进行清理，借助放大镜目检，通过对裂纹的检查和PT探伤进行确认和记录。PT探伤前需要对可能影响到探伤效果的锈渍等杂物进行清理。然后对裂纹进行清理，使用机械打磨或碳弧气刨等方式将裂纹清理平整。清除裂纹后的补焊区域进行仔细地打磨至露出母材金属光泽，PT探伤检查，确认裂纹彻底清除。最后进行补焊，在焊接时尽量采用较小的焊接规范进行镶边焊，以达到减小焊缝金属的脆化倾向和降低焊接残余应力的目的。盖面层焊接完成后应使用回火焊道技术，即当盖面层焊接完成后，在盖面层上再焊接一层以达到对盖面层焊道进行回火的目的，回火焊道只能焊接在盖面层上且不能与两侧的母材相接触。
补焊完成后检查流道表面，对于不圆顺的部位采用表面堆焊、打磨的方法进行处理，不允许存在应力集中点。过流表面不允许出现深度0.5mm以上的凹坑、凸台。
3.2 补强板焊接
根据强度试验结果，对蝶阀活门应力集中区域进行补强。活门与盖板连接筋板无论是否出现裂纹，都需要补强。补强的目的一是降低局部应力水平，二是使原先多次补焊区域的材料性能得到改善，以提高抗疲劳能力。补强板共12块，材料为Q235，在蝶阀活门产生筋板上侧与下侧均进行补强，每侧各6块，其结构尺寸及位置见图2。
补强板下料时应按要求开出坡口。补强板之间采用开坡口焊形式进行焊接，要求严格按照工艺标准执行，保证焊接质量，以确保焊缝满足强度要求。焊接完成后，需对焊接圆角进行磨光处理，以保证过流部件表面的圆顺和光滑。
3.3 蝶阀活门盖板出水边中间段修型
根据试验结果，蝶阀活门盖板固有频率与卡门涡频率相吻合，导致盖板出水边卡门涡共振。卡门涡诱发蝶阀活门的共振，最终导致活门与盖板连接的筋板开裂。故需要对盖板出水边进行修型，从而改变盖板出水边水流的频率。
盖板出水边修型参数见图3，厚度t由原40mm修为20mm，L=100mm。尖角倒圆R=10。修型总长约1730mm，其包括两侧各100mm修型过渡区域和1530mm完全修型区域。
修型后，在流速不变的情况下，通过降低流体在出水边的分离厚度可以大幅度提高卡门无激励频率，有效减少高能量漩涡的产生，从而降低卡门涡扰动强度。
4 处理结果
通过上述对蝶阀活门裂纹的处理和补强，并经过2013—2015年两年的运行，在年度检修中，对蝶阀活门进行全面检查，活门均无裂纹现象发生。对蝶阀活门检查的结果来看，蝶阀活门的处理是成功的，蝶阀活门筋板上的加强板对蝶阀活门强度是有补强效果的，蝶阀活门盖板出水边修型对改善蝶阀的运行工况是有效的。
来源：网络转载
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发表于 2016-5-30 11:09:35
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