劉佳文

水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋分析與處理

劉佳文

（廣東粵電流溪河發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東從化 510956）

水輪機轉(zhuǎn)輪是水輪機的重要組成部分，轉(zhuǎn)輪葉片若出現(xiàn)裂紋缺陷，將會嚴(yán)重影響水電站的安全、穩(wěn)定運行。介紹了廣東粵電流溪河發(fā)電有限責(zé)任公司＃4機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的處理過程，找出了裂紋產(chǎn)生的原因，消除了裂紋缺陷。

水輪機；轉(zhuǎn)輪；裂紋；探傷；焊接

0 引言

廣東粵電流溪河發(fā)電有限責(zé)任公司現(xiàn)有4臺12 MW水輪發(fā)電機組，水輪機型號為HLA553-LJ-140，額定轉(zhuǎn)速為500 r／min，設(shè)計多年平均發(fā)電量為1.55億kW·h。2012年年底，該公司在對＃4機組進(jìn)行A級檢修時發(fā)現(xiàn)＃9轉(zhuǎn)輪葉片存在裂紋缺陷。水輪機轉(zhuǎn)輪葉片若出現(xiàn)裂紋缺陷，將會嚴(yán)重影響水電站的安全、穩(wěn)定運行，必須及時采取措施針對裂紋缺陷進(jìn)行治理。

1 水輪機基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

該公司水輪機轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為0Cr13Ni4Mo不銹鋼，型號為A553。轉(zhuǎn)輪與大軸用12只螺栓連接。轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向俯視為順時針，葉片數(shù)為16，葉片表面粗糙度不大于1.6μm，葉片出水邊單個開口允許偏差為-3%～+5%，出口邊平均開口允許偏差為-1%～+3%，葉片表面局部存在的波浪度應(yīng)低于1%。水輪機軸向推力為490 kN，流量為14.225 m3／s，設(shè)計水頭為97.5m，飛逸轉(zhuǎn)速為910 r／min。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋分類

轉(zhuǎn)輪裂紋通常可分為規(guī)律性裂紋和非規(guī)律性裂紋兩類。規(guī)律性裂紋是指不同葉片上的裂紋具有大體一致的規(guī)律，所有葉片都開裂，裂紋的部位和走向也大致相同；非規(guī)律性裂紋只在個別葉片上發(fā)生，或者不同葉片上裂紋的部位、走向和其他特征各不相同，其產(chǎn)生的一般原因分述如下。

2.1 規(guī)律性裂紋

失效分析結(jié)果表明：絕大多數(shù)規(guī)律性裂紋是疲勞裂紋，為明顯的貝殼紋。葉片疲勞裂紋來源于作用其上的交變載荷，交變載荷由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動引發(fā)，而自激振動可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發(fā)的。規(guī)律性裂紋大多是錯誤的工藝導(dǎo)致的。

轉(zhuǎn)輪在水壓力和離心力的共同作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊，通過第三強度理論可以計算出應(yīng)力沿葉片周邊的分布情況，通過分析得出轉(zhuǎn)輪葉片存在4個較高的應(yīng)力區(qū)：葉片進(jìn)水邊正面靠近上冠處，葉片出水邊正面的中部，葉片出水邊背面靠近上冠處以及葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)，轉(zhuǎn)輪葉片這些部位易產(chǎn)生裂紋。

2.2 非規(guī)律性裂紋

非規(guī)律性裂紋有的為網(wǎng)狀龜裂紋，有的為脆性斷口，也有的為疲勞貝殼紋。這類裂紋多數(shù)由材料不良或制造質(zhì)量缺陷造成。在使用過程中，鑄造氣孔、砂眼等在外部應(yīng)力的作用下可能成為裂紋源，造成裂紋的產(chǎn)生。因為轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的厚度相差非常大，在冷卻過程中較容易產(chǎn)生縮孔、疏松等。對于鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，若焊接工藝不正確或不規(guī)范，通常在焊縫和受熱影響區(qū)會有裂紋出現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋處理過程

＃4機組A級檢修于2012年11月19日開工，在對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查時，用滲透檢驗（PT）法對葉片的應(yīng)力集中區(qū)（葉片進(jìn)水邊緣及葉片根部）進(jìn)行探傷檢測，發(fā)現(xiàn)＃9葉片處有一條未穿透的裂紋（如圖1所示），其他邊緣區(qū)域未發(fā)現(xiàn)裂紋。

由于裂紋較微小且淺，因此磨開坡口至沒有裂紋的深度再進(jìn)行補焊，焊后按原葉片外形打磨拋光并進(jìn)行了滲透探傷，無裂紋。

圖1 未穿透裂紋

2012年12月17日進(jìn)行三級驗收時，驗收人員認(rèn)為該已處理裂紋處附近的進(jìn)水邊根部相對較薄，要求對該部位進(jìn)行補焊。補焊并打磨拋光后，驗收時按要求進(jìn)行滲透探傷，發(fā)現(xiàn)在原來補焊進(jìn)水邊薄弱處上方20mm處出現(xiàn)了一條背面長約10mm、正面長約30mm的穿透性裂紋。按要求換經(jīng)驗豐富的焊工依據(jù)裂紋處理作業(yè)指導(dǎo)書對其進(jìn)行處理：在裂紋端部用?5mm的鉆頭鉆止裂孔，在裂紋雙邊開坡口；對焊條進(jìn)行烘干，焊前用乙炔烤槍預(yù)熱至120～150℃，焊后用乙炔烤槍保溫（溫度必須控制在120～150℃）；除打底層和最后一層未用扁鏟敲打焊縫外，中間過程每焊完一道都進(jìn)行敲打和降溫；溫度控制采用遠(yuǎn)紅外線測溫儀，最后再用石棉布保溫2 h。

待轉(zhuǎn)輪降至常溫后，對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了滲透探傷，在第2次處理的裂紋的上方又發(fā)現(xiàn)2條裂紋：第1條裂紋在進(jìn)水邊背面上方120mm處，長50mm，為未穿透裂紋；第2條裂紋在進(jìn)水邊正面上方30mm處，長45mm，為未穿透裂紋。處理方法依然如第2次處理一樣。

12月18日對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行驗收，未發(fā)現(xiàn)裂紋，但該公司要求擴大探傷面積，對葉片進(jìn)水邊正面、背面上冠處均進(jìn)行滲透探傷，最后發(fā)現(xiàn)葉片進(jìn)水邊上冠離進(jìn)水邊70mm處有一條類似裂紋。對缺陷處進(jìn)行拋光，再用角磨機磨開缺陷處，越往深處磨，缺陷越復(fù)雜、越無規(guī)則。鑒于此種情況，該公司委托哈爾濱大電機研究所對轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行處理。

（1）首先對所有轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊上冠、下環(huán)部位焊縫進(jìn)行超聲波檢驗（UT），除已發(fā)現(xiàn)的＃9轉(zhuǎn)輪葉片外，沒有發(fā)現(xiàn)其他問題。

（2）對所有轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)水邊及上冠下環(huán)部位進(jìn)行PT探傷，除檢修公司查出的＃9葉片裂紋還有焊接缺陷外，其余葉片沒有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

（3）用UT法從裂紋背面檢查裂紋的深度，從葉片背面深16mm開始往里有缺陷（葉片厚度為38 mm），并用PT法對裂紋部位重新進(jìn)行探傷檢測。

（4）用風(fēng)銑刀清除轉(zhuǎn)輪裂紋，對難以銑去的部位進(jìn)行刨出處理，最終修成長125mm、寬35mm、深20mm的焊接坡口。PT探傷后，還有約6mm長的缺陷未清理干凈，由于已從背面進(jìn)行過UT探傷，而且考慮到焊接變形等問題，對此缺陷直接進(jìn)行補焊處理。

（5）焊接過程。

1）清除補焊區(qū)及附近50mm范圍內(nèi)的污物及雜質(zhì)，對其他部位進(jìn)行保護(hù)，防止焊接飛濺。

2）將補焊區(qū)域及相鄰約150mm范圍內(nèi)的母材預(yù)熱至80℃以上，并在焊接過程中始終保持這一溫度，根據(jù)現(xiàn)場實際情況采用火焰加熱法進(jìn)行預(yù)熱。

3）焊條使用前需按焊條使用說明書的要求進(jìn)行烘干，烘干后存放在100～130℃的保溫箱內(nèi)。使用時，放在焊條保溫桶內(nèi)，隨用隨取。

4）補焊時，焊接電流及熱輸入應(yīng)較小，焊速盡量慢，以減小焊縫金屬的脆化傾向并降低焊接殘余應(yīng)力。

由于補焊區(qū)域焊后無法進(jìn)行熱處理，因此補焊時應(yīng)采用窄焊道（最大15mm寬）、薄焊層（每層最大厚度為3～5m）的操作方法。蓋面層焊接完成后應(yīng)使用回火焊道技術(shù)，即蓋面層焊接完成后，在蓋面層上再焊接一層，以達(dá)到對蓋面層焊道進(jìn)行回火的目的。焊接過程中，控制層間溫度不大于150℃，除第1層和表層焊縫外每層焊縫采用錘擊方法消除應(yīng)力。用?3.2mm的焊條A307進(jìn)行補焊，焊接電流為90A。用A102不銹鋼焊條對補焊后的溝邊進(jìn)行處理。焊后用石棉布包裹葉片，使其緩慢降至室溫，保證焊接質(zhì)量。

（6）用砂輪機將焊接部位表面修磨光順，再用著色探傷的方法進(jìn)行檢查，確保沒有裂紋和其他缺陷存在。

（7）將焊接部位表面拋光，達(dá)到原葉片表面型線和表面粗糙度。

（8）對檢修公司已處理完的一些焊接缺陷用銑刀銑除，PT探傷合格后進(jìn)行補焊，焊后打磨并做PT探傷，直至合格。

（9）將大軸連同轉(zhuǎn)輪一起放倒，用PT法檢查葉片出水邊及焊縫部位。發(fā)現(xiàn)＃9葉片上冠出水邊側(cè)有2處裂紋，長度均為40mm左右，一處貫穿、一處非貫穿，下環(huán)焊縫部位從出水邊往里200mm有一處非貫穿性裂紋，長度為40mm。

（10）對于貫穿性裂紋，由于葉片出水邊只有4 mm厚，因此在一面銑2mm深、6mm寬、40mm長的坡口后不用探傷，直接進(jìn)行焊接和打磨后再進(jìn)行PT探傷；在另一面銑除缺陷，PT探傷合格后再進(jìn)行焊接和打磨，打磨后進(jìn)行PT探傷，直至合格。

（11）對于非貫穿性裂紋，銑了4mm深、8mm寬、40mm長的坡口后PT探傷沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，焊接和打磨后再次進(jìn)行PT探傷，直至合格。

（12）拋光所有修復(fù)表面達(dá)出廠前標(biāo)準(zhǔn)，并再次對所有葉片進(jìn)、出水邊進(jìn)行PT探傷，確保無任何缺陷。

4 裂紋產(chǎn)生的原因及處理效果

通過分析發(fā)現(xiàn)，該公司＃9轉(zhuǎn)輪葉片裂紋為非規(guī)律性裂紋，主要是因為20世紀(jì)90年代初期鑄造技術(shù)有限，轉(zhuǎn)輪葉片為小爐單件鑄造，個別葉片存在微小缺陷。在之前檢修時這種隱蔽性的缺陷沒有被發(fā)現(xiàn)，隨著運行時間的推移，缺陷慢慢擴大后以裂紋的形式表現(xiàn)出來。

轉(zhuǎn)輪裂紋處理工作結(jié)束后，該公司組織相關(guān)人員對相應(yīng)部位的物理形狀進(jìn)行檢查測量，通過與未發(fā)生裂紋的葉片作形狀對比，處理部位的形體基本達(dá)到原制造水平，不會對轉(zhuǎn)輪的水力特性造成影響，也不會影響水輪機出力。采取UT和PT法對焊接部位進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋處理后，機組至今已運行近2年，在對機組進(jìn)行檢修和消缺時，多次對處理過的＃9轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行檢測，原處理部位未發(fā)現(xiàn)新的裂紋，處理效果良好。

（本文責(zé)編：劉芳）

TK 730.3+23

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：1674-1951（2015）03-0054-02

劉佳文（1986—），男，江西高安人，助理工程師，從事水電廠機械設(shè)備檢修與管理工作（E-mail：332647962＠qq. com）。

2014-10-13；

2015-01-10