魯?shù)乩娬巨D(zhuǎn)輪裂紋原因分析及處理方法研究

范孝奎周若愚

(中國(guó)水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安710032)

【摘要】水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行。魯?shù)乩娬?號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修期間，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問(wèn)題。本文從轉(zhuǎn)輪制造、轉(zhuǎn)輪材質(zhì)、工程設(shè)計(jì)、機(jī)組性能及運(yùn)行狀態(tài)方面分析了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因，介紹了裂紋處理方案。

【關(guān)鍵詞】魯?shù)乩娬?；機(jī)組；轉(zhuǎn)輪；裂紋；處理方案

中圖分類(lèi)號(hào)：TV734.1

Analysis on reasons of cracks on Ludila Hydropower Station

runner and research on solutions

FAN Xiaokui, ZHOU Ruoyu

(SinohydroBureau3Co.,Ltd.,Xi’an710032,China)

Abstract:Cracks on hydropower station unit runner blade has serious seriously affect safe operation of power plant. The crack problems of runner blade are discovered during level C overhaul of Ludila Hydropower Station No.3 Unit. In the paper, the reasons of cracks on runner blade are analyzed from the aspects of runner manufacturing, runner material, engineering design, unit performance and operation state, and crack solutions are introduced.

Key words: Ludila Hydropower Station; unit; runner; crack; solutions

魯?shù)乩娬景惭b6臺(tái)套額定轉(zhuǎn)速100r/min、額定功率360MW的水輪發(fā)電機(jī)。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪外形尺寸為φ7100×3978mm，總重205t。

轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)全部采用VOD精煉鑄造。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13片，葉片用五軸數(shù)控機(jī)床加工。上冠、下環(huán)均為鑄造，上冠設(shè)有與水輪機(jī)軸連接的法蘭，所有過(guò)流表面都為精加工。轉(zhuǎn)輪全部采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的ZG04Cr13Ni5Mo材料制造。轉(zhuǎn)輪在現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)輪加工廠(chǎng)房?jī)?nèi)由水輪機(jī)制造商組焊加工完成并做靜平衡試驗(yàn)后，整體運(yùn)至廠(chǎng)內(nèi)安裝間。

1裂紋情況

魯?shù)乩娬?號(hào)機(jī)組于2013年7月21日投入商業(yè)運(yùn)行，2014年11月14日開(kāi)始3號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修，在對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行UT+PT探傷檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，有4個(gè)葉片存在貫穿性裂紋5條，其中3條裂紋位于轉(zhuǎn)輪葉片上冠角焊縫處，另2條裂紋位于轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)角焊縫處(見(jiàn)圖1～圖7)，轉(zhuǎn)輪裂紋葉片號(hào)及長(zhǎng)度見(jiàn)下表。

3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況表

圖1　4號(hào)葉片上冠角焊縫裂紋

圖2　4號(hào)葉片下環(huán)角焊縫裂紋

圖3　5號(hào)葉片上冠角焊縫裂紋

圖4　7號(hào)葉片下環(huán)角焊縫裂紋

圖5　12號(hào)葉片上冠角焊縫裂紋

圖6　上冠角焊縫汽蝕孔洞

圖7　葉片基體汽蝕孔洞

2裂紋及孔洞產(chǎn)生原因分析

2.1轉(zhuǎn)輪制造原因

a.鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應(yīng)力作用下可能會(huì)成為裂紋源，造成裂紋的產(chǎn)生。鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，若焊接工藝不當(dāng)或焊工沒(méi)有按照焊接工藝的要求焊接，焊接或熱處理殘余應(yīng)力存在，在焊縫及熱影響區(qū)也會(huì)出現(xiàn)裂紋。

b.轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)連接處根部R角偏小，設(shè)計(jì)為R14，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片的疲勞強(qiáng)度不足。

2.2轉(zhuǎn)輪材質(zhì)原因

轉(zhuǎn)輪全部采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的ZG04Cr13Ni5Mo材料制造，魯?shù)乩娬?號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)的裂紋及氣孔，分析認(rèn)為葉片可能在鑄造時(shí)局部產(chǎn)生了偏析。由于葉片的局部材質(zhì)產(chǎn)生了偏析，也就是液態(tài)合金在鑄型中凝固以后，鑄件斷面上各個(gè)部分及晶粒與晶界之間存在化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象，降低了材料的延展性能，如偏析部位在葉片出水邊頭部與上冠、下環(huán)焊縫連接過(guò)渡位置，則裂紋就易于發(fā)生。

2.3工程設(shè)計(jì)原因

混流式水輪機(jī)一般在30%～60%額定出力時(shí)容易在尾水管內(nèi)產(chǎn)生水流渦帶，引起空腔汽蝕和機(jī)組振動(dòng)。魯?shù)乩娬舅啺l(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)有大軸中心孔補(bǔ)氣裝置，其作用就是在機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時(shí)，補(bǔ)入空氣，增加水的彈性，改善機(jī)組的運(yùn)行條件。同時(shí)，由于補(bǔ)氣破壞了真空，還能防止機(jī)組突然甩負(fù)荷導(dǎo)水機(jī)構(gòu)緊急關(guān)閉時(shí)，由于尾水管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)水擊，下游尾水反沖所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力或抬機(jī)現(xiàn)象。

魯?shù)乩娬舅啺l(fā)電機(jī)沒(méi)有設(shè)計(jì)強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)，由于水輪機(jī)吸出高度H0的負(fù)值較大，尾水管內(nèi)壓力較高，因此，在運(yùn)行過(guò)程中，這也是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)汽蝕孔洞的原因之一。

2.4機(jī)組性能及運(yùn)行狀態(tài)原因

由于葉片裂紋均在葉片上冠角、下環(huán)角焊縫處，可能是機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷或震動(dòng)區(qū)域運(yùn)行，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片在交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生裂紋或使裂紋加劇。

3轉(zhuǎn)輪裂紋處理方案

3.1裂紋處理準(zhǔn)備

a.焊接設(shè)備。直流電焊機(jī)。

b.預(yù)熱設(shè)備及其他設(shè)備。火焰加熱設(shè)備(氧氣、乙炔、烘槍)、測(cè)溫槍、焊條烘箱、焊條保溫筒。

c.鏟磨工具。磨光機(jī)、電磨、風(fēng)鏟(用于清理焊渣及錘擊)。

d.焊接材料。AWS E309Lφ3.2或φ4.0不銹鋼電焊條、EL309Lφ1.2不銹鋼焊絲。

e.探傷設(shè)備。UT和PT探傷設(shè)備。

f.照明設(shè)施、工作架及相關(guān)的氣、電等。手把燈、強(qiáng)光手電、活動(dòng)腳手架、檢修用氣。

3.2裂紋處理方案

a.根據(jù)UT和PT探傷檢查結(jié)果，用記號(hào)筆標(biāo)記出葉片裂紋的部位和長(zhǎng)度。

b.檢查葉片開(kāi)裂處是否存在錯(cuò)口，如存在，應(yīng)用楔鐵將葉片錯(cuò)口楔平，搭焊牢固。

c.此次裂紋處理采用砂輪打磨方式清理轉(zhuǎn)輪葉片正面裂紋，清理深度約為2/3葉片厚度，并預(yù)制坡口(見(jiàn)圖8)；如果采用碳弧氣刨清理缺陷時(shí)，清理前用火焰預(yù)熱裂紋及附近50mm范圍，溫度應(yīng)不小于80℃，裂紋清理時(shí)應(yīng)從距開(kāi)裂處約20mm的地方反向進(jìn)行，以避免裂紋擴(kuò)展。

圖8　預(yù)制坡口

d.打磨清理部位，直至見(jiàn)到金屬光澤，然后按ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)清理部位進(jìn)行PT探傷，確認(rèn)裂紋完全清除。

e.將焊接區(qū)域及附近200mm范圍內(nèi)的油污、水分等雜質(zhì)清理干凈。

f.焊接區(qū)域及附近50mm范圍內(nèi)預(yù)熱100℃后(預(yù)熱時(shí)用測(cè)溫槍監(jiān)控預(yù)熱溫度)，采用手工焊(E309Lφ3.2不銹鋼焊條)進(jìn)行多層窄道焊。焊前焊條按焊條使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行烘干，放入保溫筒，隨用隨取。除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以釋放應(yīng)力(見(jiàn)圖9)，焊縫表面高于母材原表面1～3mm，便于焊后打磨。

圖9　釋放應(yīng)力

g.用砂輪打磨的方法清理葉片背面裂紋(見(jiàn)圖10)。

圖10　葉片背面裂紋清理

h.按上述d、e、f步驟進(jìn)行探傷、清理、焊接(見(jiàn)圖11)。

圖11　探傷、清理、焊接

i.焊接完成后立即用阻燃布覆蓋焊接區(qū)域，使其緩慢冷卻。

j.用磨光機(jī)粗磨修復(fù)部位。

k.對(duì)修復(fù)后葉片焊縫按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT和PT探傷檢查，檢查焊縫有無(wú)裂紋、夾渣和氣孔。

l.探傷合格后，精磨修復(fù)部位，將葉片焊接部位按原型線(xiàn)磨平，轉(zhuǎn)輪葉片翼型線(xiàn)平滑流暢，符合葉片型線(xiàn)要求。

4裂紋處理結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述處理，結(jié)果表明：上述轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理是成功的，有效地消除了機(jī)組運(yùn)行可能產(chǎn)生的安全隱患，達(dá)到了預(yù)期的檢修效果。

5結(jié)語(yǔ)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋問(wèn)題直接影響水輪機(jī)的正常運(yùn)行，近年來(lái)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了水電站的正常安全運(yùn)行，有必要對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行研究分析，采用合理科學(xué)的手段處理解決，消除機(jī)組運(yùn)行可能產(chǎn)生的安全隱患，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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