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        轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析,檢測及處理

        2009-05-25 03:32:52
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2009年6期
        關(guān)鍵詞:應(yīng)力無損檢測水輪機(jī)

        王 磊

        摘要:轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)核心部件,轉(zhuǎn)輪的葉片出現(xiàn)裂紋會嚴(yán)重威脅水電廠的安全運行。通過對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行有限元計算分析,得出應(yīng)力過于集中通常是葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因,此外,葉片也存在設(shè)計、制造、運行方面的問題,為此,介紹了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋無損檢測的常用方法和一般工藝。

        關(guān)鍵詞:水輪機(jī);轉(zhuǎn)輪葉片;應(yīng)力;有限元;裂紋;無損檢測

        引言

        水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的頻繁產(chǎn)生,對機(jī)組安全運行構(gòu)成很大威脅,也給電廠帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失,因此,分析裂紋產(chǎn)生原因,并對易產(chǎn)生裂紋部位進(jìn)行無損探傷檢查,對及時處理缺陷,消除事故隱患是十分必要的。

        1 轉(zhuǎn)輪裂紋及現(xiàn)象

        小浪底某臺機(jī)組小修期間,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的13個葉片出水邊接近上冠處有11個葉片出現(xiàn)裂紋(后經(jīng)著色探傷,確定另兩個葉片也有輕微裂紋),裂紋長度 100~400mm不等,大部分為貫穿(端面)型裂紋,所有裂紋形狀相似,起始點在葉片負(fù)壓面與出水端面交線上,距上冠約50mm,裂紋起始端與葉片出水邊垂直,后端以不規(guī)則拋物線形向葉片中心延伸,其中有一個葉片同時出現(xiàn)沿焊縫方向的裂紋。近期景洪1號機(jī)組也發(fā)現(xiàn)出水邊靠近上冠部位以及靠近下環(huán)部位的裂紋,而且最近投產(chǎn)的大水電機(jī)組經(jīng)常在轉(zhuǎn)輪這些位置出現(xiàn)裂紋。

        2 裂紋產(chǎn)生原因分析

        2.1 應(yīng)力集中

        采用有限元計算分析得出,轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下,大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上, 按第三強(qiáng)度理論計算的相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊分布。轉(zhuǎn)輪葉片存在四個高應(yīng)力區(qū),他們的位置在葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處;葉片出水邊正面的中部;葉片出水邊背面靠近上冠處;葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。

        2.2鑄造缺陷及焊接缺陷

        葉片原材料經(jīng)加熱模壓,其中鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應(yīng)力的作用下可能會成為裂紋源,造成裂紋的產(chǎn)生。由于轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的厚度相差大,在冷卻過程中易產(chǎn)生縮孔、疏松等。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)與葉片均為馬氏體不銹鋼材料,焊條則是奧氏體不銹鋼材料。國內(nèi)不少專家認(rèn)為,這是異種鋼焊接,導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力很大。目前都采取焊后熱處理消除應(yīng)力,但難免應(yīng)力消除不徹底。鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪,若焊接工藝不當(dāng)或焊工沒有按照焊接工藝的要求進(jìn)行焊接,在焊縫及熱影響區(qū)也會出現(xiàn)裂紋。

        2.3 原設(shè)計問題

        轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)間的過渡R角設(shè)計較小,引起應(yīng)力集中。

        2.4 運行上的原因

        長期低負(fù)荷、超負(fù)荷或在震動區(qū)運行會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋或裂紋情況加劇以及引水系統(tǒng)水擊振動形成共振等原因。

        3 裂紋無損檢測

        常用的無損檢測方法有以下幾種:磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、射線檢測等。裂紋易于產(chǎn)生的應(yīng)力集中部位,如葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環(huán)連接區(qū)等部位,由于透照布置比較困難,不能用射線透照法進(jìn)行無損探傷。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片表面比較粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚度變化大的特點,一般應(yīng)采用滲透、磁粉、超聲波的方法進(jìn)行無損檢測。

        3.1 超聲波檢測

        超聲波探傷方法對裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢出率較高,適宜檢驗較大厚度的工件,但是對于鑄鋼、奧氏體不銹鋼材,由于粗大晶粒的晶界會反射聲波,在屏幕上出現(xiàn)大量的“草狀波”,容易與缺陷波混淆,影響檢測可靠性,限制了超聲波探傷方法在鑄鋼制水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上無損檢測的應(yīng)用。探測頻率越高,雜波就越顯著,為了減小晶界反射波的影響,我們采用了低頻探頭(2MHz)對鑄鋼轉(zhuǎn)輪進(jìn)行超聲波探傷,發(fā)現(xiàn)反射信號以后再用高頻探頭(4MHz)進(jìn)行定量,實踐證明這是可行的。

        3.2 滲透探傷

        滲透探傷方法簡單易行,顯示直觀,適合于大型和不規(guī)則工件的檢查和現(xiàn)場檢修檢查。但是,滲透探傷方法是利用滲透能力強(qiáng)的彩色滲透液滲入到裂紋等缺陷的縫隙中,再利用吸附能力強(qiáng)的白色顯像劑,將滲透液吸出來以顯示缺陷的,因此,只能檢查表面開口的缺陷。

        3.3 磁粉探傷

        磁粉探傷方法是利用工件磁化后,在材料中的不連續(xù)部位(包括缺陷造成的不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)等原因造成的不連續(xù)性),磁力線會發(fā)生畸變,部分磁力線有可能逸出材料表面形成漏磁場,這時在工件上撒上磁粉,漏磁場就會吸附磁粉,形成與缺陷形狀相近的磁粉堆積,從而顯示缺陷。因此,磁粉探傷適用于鐵磁材料探傷,可以檢出表面和近表面缺陷,但是有些部位由于難以磁化而無法探傷。

        綜上所述,為了保證水電機(jī)組的安全運行,考慮到各種探傷的優(yōu)點和局限性,水輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行如下檢驗:對葉片清理后進(jìn)行宏觀檢查;對可以磁化的部位進(jìn)行磁粉探傷,不能磁化的部位進(jìn)行滲透探傷,近來金屬磁記憶和渦流探傷技術(shù)日漸成熟,也可以用來進(jìn)行表面探傷;對葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環(huán)連接區(qū)等應(yīng)力集中部位和表面發(fā)現(xiàn)缺陷的部位進(jìn)行超聲波探傷。檢驗中發(fā)現(xiàn)的裂紋等危險性缺陷應(yīng)進(jìn)行處理。

        4 裂紋處理

        4.1 阻止裂紋延伸

        通常裂紋的兩端尾部內(nèi)應(yīng)力接近材料的極限強(qiáng)度,在外力或熱應(yīng)力的影響下還會繼續(xù)延伸。因此,必須在裂紋兩端打止裂孔。

        4.2 裂紋清理及開坡口

        裂紋鏟除常用兩種方法:風(fēng)鏟和炭弧氣刨。

        坡口的形式應(yīng)遵守焊接工藝的一般要求,主要根據(jù)裂紋情況、部位和鏟除及施焊方便而定。裂紋清除后應(yīng)進(jìn)行著色探傷以確認(rèn)裂紋是否全部清除干凈。

        4.3 補(bǔ)焊工藝

        葉片補(bǔ)焊可采用兩種方法,一是同種材料熱焊,另一種是奧氏體焊條進(jìn)行冷焊。

        焊后的打磨處理并進(jìn)行無損探傷檢查。最后出水邊補(bǔ)焊三角體,降低該點的設(shè)計應(yīng)力,修整出水邊,消除由卡門渦引起的共振。

        結(jié)論及建議

        近年來,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片裂紋頻繁發(fā)生,嚴(yán)重威脅水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運行,有必要在機(jī)組小修和大修時對應(yīng)力集中等易于產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行無損探傷檢查,對發(fā)現(xiàn)的缺陷及時正確處理,把事故消滅在萌芽狀態(tài),保證機(jī)組的安全運行。

        參考文獻(xiàn)

        [1]劉永賢.混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場直接三維有限元計算[J].大電機(jī)技術(shù)1990.2. 23-1253.

        [2]顧四行.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋及其處理[J].水電站機(jī)電技術(shù),1992,(3).

        [3]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京:電力工業(yè)出版社,1980.

        [4]中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會.磁粉探傷[M]北京.機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

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