龐希斌，彭碩群，祝加勇，蔣君操，楊 恒，吳 敏，宋太平，湯 巍，何忠華

（國網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，資源消耗的速度也在不斷的加快，水電站的發(fā)展越來越普及，成為了社會主義建設(shè)中不可或缺的重要組成。轉(zhuǎn)輪是抽水蓄能電站水輪機中的核心部件，在實際的運行過程中，由于機組發(fā)電和抽水工況頻繁正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，運行工況復(fù)雜，水輪機轉(zhuǎn)輪作為水輪機重要受力結(jié)構(gòu)部件，該區(qū)域在機組運行中容易發(fā)生裂紋，近些年水輪機轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)多起裂紋問題，使機組被迫停役。轉(zhuǎn)輪裂紋的出現(xiàn)，不僅為機組的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的威脅，為抽蓄電站的正常經(jīng)營帶來了經(jīng)濟損失和社會損失，所以要想確保水電站安全穩(wěn)定運行，必須通過無損檢測技術(shù)對水輪機轉(zhuǎn)輪定期探傷，及時發(fā)現(xiàn)并有效處理轉(zhuǎn)輪裂紋問題。采取有效的預(yù)防控制措施，確保機組運行安全性和穩(wěn)定性。

本文介紹了黑麋峰抽水蓄能電站3號、4號機轉(zhuǎn)輪在檢修中發(fā)現(xiàn)的裂紋，其特征以及修復(fù)工藝控制，綜合分析裂紋成因，根本清除裂紋隱患，結(jié)合廠家建議，提出電廠在機組運行方式以及維護檢修方面預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋事故的參考建議。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析

轉(zhuǎn)輪裂紋通常是在多個因素（比如交變外載荷、機組運行時的振動、結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)、工程制造過程中的缺陷等）的綜合作用下產(chǎn)生，以下對黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪裂紋成因從水力設(shè)計、結(jié)構(gòu)強度計算及材料選擇、制造工藝及控制流程等方面進行分析說明。

2.1 黑麋峰電站機組轉(zhuǎn)輪參數(shù)

黑麋峰電站水泵水輪機（HLNTP-LJ-504）轉(zhuǎn)輪為單級、立軸、混流可逆式轉(zhuǎn)輪，葉片整體鑄造、數(shù)控加工。轉(zhuǎn)輪上冠、葉片和下環(huán)組合焊接。3號機和4號機的水泵水輪機上冠、葉片、下環(huán)材質(zhì)均為鑄造馬氏體不銹鋼制造，材料類型為ZG0 Cr13Ni4Mo（對應(yīng)美標ASTM A743 CA6 NM），為保證制造（包括焊接、打磨）操作空間，轉(zhuǎn)輪下環(huán)分內(nèi)環(huán)、外環(huán)，轉(zhuǎn)輪兩次裝焊、焊后整體退火。

機組額定水頭295 m，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定出力和額定入力分別為300 MW、320 MW。引水系統(tǒng)采用1洞2機的布置方式，尾水系統(tǒng)采用1洞1機的布置方式，3號機、4號機共用2號引水管道。2010年9月、10月，3號機、4號機相繼投產(chǎn)發(fā)電，轉(zhuǎn)輪投產(chǎn)運行8年，期間檢修均對轉(zhuǎn)輪葉片進行檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋情況。2018年3月機組C修期間，發(fā)現(xiàn)3號機和4號機均發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片裂紋缺陷，其中包含貫穿性裂紋。

2.2 3號機、4號機轉(zhuǎn)輪裂紋情況統(tǒng)計

3號機組轉(zhuǎn)輪 PT 探傷檢查發(fā)現(xiàn)，1、2、3、4、5、8號轉(zhuǎn)輪葉片共存在15條裂紋，裂紋總長度1950 mm。其中3處為貫穿性裂紋，其中1號葉片進水邊，出現(xiàn)最長裂紋，長350 mm，由正面延伸至背面，屬于貫穿性裂紋；其他裂紋擴展方向各異，裂紋外部形態(tài)呈“蚯蚓狀”，形態(tài)沒有規(guī)律性，裂紋集中出現(xiàn)在葉片進出水邊與上冠下環(huán)的連接焊縫和焊接熱影響區(qū)，并且屬于探傷檢測的盲區(qū)。

2018年3月9日至11日，4號機組C修期間對轉(zhuǎn)輪 PT 探傷發(fā)現(xiàn)，1、3、4、5、6、8、9 號葉片共存在 6條非淺表性裂紋，總長度845 mm，其中1處為貫穿性裂紋。其中5號葉片出現(xiàn)最長裂紋，長230 mm，為V型裂紋。

關(guān)于3號機、4號機裂紋情況如表1、表2所示，安裝狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪裂紋俯視示意圖如圖1，裂紋主要集中在葉片與上冠焊縫進出水邊處。其中3號機4號葉片裂紋探傷情況、刨開后情況和4號機5號葉片裂紋情況如圖2、圖3、圖4所示。

表1 3號機組葉片裂紋情況統(tǒng)計表

圖1 3號機組裂紋分布俯視示意圖

2.3 機組運行情況

3、4號機組從2010年投產(chǎn)截至2017年，每年發(fā)電小時數(shù)、抽水小時數(shù)逐年累加，從2014年開始黑麋峰公司機組在穩(wěn)定電網(wǎng)負荷需求中承擔(dān)重要作用，并且運行情況穩(wěn)定。3號機、4號機總運行時間分別為10726 h、9998 h，總啟停次數(shù)分別為2302次、1974次，3號機運行時間、啟停次數(shù)均高于4號機。3號機、4號機歷年運行時間和機組啟停次數(shù)統(tǒng)計如圖5、圖6。

表2 4號機組葉片裂紋情況統(tǒng)計表

圖2 3號機4號葉片裂紋探傷情況

圖3 3號機4號葉片裂紋刨開后情況

圖4 4號機5號葉片貫穿性裂紋探傷情況

圖5 3號機、4號機運行時間統(tǒng)計圖

圖6 3號機、4號機啟停次數(shù)統(tǒng)計表

2.4 轉(zhuǎn)輪水力分析

黑麋峰電站屬于300 m水頭段中大容量抽水蓄能電站。東電為黑麋峰電站機組的主承包方，法國ALSTOM公司為技術(shù)支持方。黑麋峰電站的水泵水輪機水力模型由ALSTOM公司研發(fā)。機組運行過程中壓力脈動特性和空化空蝕特性嚴重影響機組穩(wěn)定性能，ALSTOM公司根據(jù)試驗結(jié)果判斷黑麋峰機組不會發(fā)生真機空蝕，各種壓力脈動情況中，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間空載工況壓力脈動數(shù)值較高，但符合國內(nèi)300～600 m水頭段抽水蓄能電站水泵水輪機的部分主要性能指標。

但黑麋峰電站水泵水輪機水力模型在整個水輪機運行范圍內(nèi)均出現(xiàn)S特性，為避免S特性對機組并網(wǎng)的風(fēng)險，ALSTOM公司在真機實際運行中，增設(shè)6片非同步導(dǎo)葉，消除運行范圍內(nèi)的S特性，完全解決空載并網(wǎng)的問題。針對黑麋峰機組在水輪機工況全水頭段開機過程中需要投入非同步導(dǎo)葉的現(xiàn)狀，不排除機組過渡工況水力因素誘發(fā)轉(zhuǎn)輪裂紋的可能性。

2.5 轉(zhuǎn)輪材料結(jié)構(gòu)分析

東電負責(zé)黑麋峰電站3號機、4號機轉(zhuǎn)輪制造，轉(zhuǎn)輪材料，具有優(yōu)良的抗銹蝕、抗泥沙磨損、抗空蝕性能，具有較為平衡的機械性能，以及優(yōu)良的焊接性能。轉(zhuǎn)輪疲勞特性直接影響機組長期穩(wěn)定運行，為此，東電綜合考慮機組水輪機運行、啟停機和飛逸工況，針對轉(zhuǎn)輪葉片靠近上冠，以及轉(zhuǎn)輪靠近下環(huán)的位置進行各種工況的損傷計算，最終得到轉(zhuǎn)輪的設(shè)計總壽命為139年，從結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的角度，轉(zhuǎn)輪的計算壽命能夠滿足50年運行要求。

2.6 葉片裂紋特性

由于轉(zhuǎn)輪裂紋集中出現(xiàn)在葉片與上冠和下環(huán)進出水邊的焊縫區(qū)和焊接熱應(yīng)力影響區(qū)，現(xiàn)場對轉(zhuǎn)輪硬度進行測試，發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋處硬度值高于焊縫或母材的標準值或處于其上限值，轉(zhuǎn)輪母材在經(jīng)正火和兩次回火后，其正常組織為回火馬氏體+逆變奧氏體+鐵素體，組織表面硬度正常值為HB221-HB286，轉(zhuǎn)輪焊縫經(jīng)焊后去應(yīng)力退火后，其硬度應(yīng)在HB300以下，硬度值可以反映材料的組織形態(tài)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)輪裂紋位置的硬度值為HB276-HB312，母材正常硬度值為HB220-HB。東電認為黑麋峰機組轉(zhuǎn)輪在鏟磨過程中，PT檢查焊縫存在表面點狀缺陷（缺肉、氣孔和夾渣等），按工藝規(guī)范采用馬氏體補焊，但補焊過程中未嚴格按照焊接補焊工藝進行，焊前未充分預(yù)熱或焊后未充分后熱，造成焊縫冷卻速度快，因此補焊處存在脆硬組織-淬火馬氏體，造成補焊位置硬度比周圍焊縫硬度值高，形成局部小區(qū)域的高硬度點。這些高硬度點在外部載荷的交變作用一定時間后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y源，多年時間累積后逐漸擴展成裂紋源，對照3號機和4號機實際運行小時數(shù)和機組啟停次數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，3號機組比4號機組服役時間長，同時裂紋數(shù)量和總長度均高于4號機，與實際情況相符。

2.7 裂紋成因結(jié)論

綜合水力、材料和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和裂紋特性方面的多種因素，黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪裂紋缺陷原因有以下結(jié)論：發(fā)現(xiàn)黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪本體材料選擇和結(jié)構(gòu)強度設(shè)計并不是轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的直接原因，根本原因為轉(zhuǎn)輪補焊工藝不規(guī)范導(dǎo)致焊縫位置存在局部脆硬組織，受到水泵水輪機低水頭段開機過程中非同步導(dǎo)葉投入產(chǎn)生的水力影響，機組開機過渡過程復(fù)雜，綜合導(dǎo)致裂紋擴展，形成葉片多個部位缺陷型裂紋。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)

轉(zhuǎn)輪修復(fù)工藝控制主要包括：缺陷確認、缺陷清理、焊接清理、加熱、焊接、焊材選擇、焊接余量及打磨探傷。具體內(nèi)容如下：

3.1 缺陷確認、清理及控溫

對轉(zhuǎn)輪葉片抽水進水邊500 mm長度范圍內(nèi)的焊縫及熱影響區(qū)，按照ASME標準進行MT探傷；對發(fā)現(xiàn)裂紋的位置，按ASME標準進行UT探傷，確認缺陷深度。

焊前，將待焊區(qū)域及附近50 mm的油污、水分等雜質(zhì)和異物清理干凈；焊接過程中，在焊接覆蓋前一道熔敷金屬以前，應(yīng)清除所有焊渣，同時焊縫及附近的母材應(yīng)采用磨、刷或用其他合適的方法清理干凈。

預(yù)熱：施焊前，用火焰加熱方式預(yù)熱待焊區(qū)域及鄰近區(qū)域，加熱應(yīng)均勻，使待焊區(qū)域及其鄰近75 mm范圍內(nèi)≥100℃。溫度測量宜采用遠紅外測溫儀進行檢測，測量采用非接觸方式，遠紅外測溫儀測點距離測量坡口或部位約50 mm。保溫溫度：從預(yù)熱焊接開始直至焊接結(jié)束，焊縫溫度不得低于80℃。緩冷處理：焊接修復(fù)轉(zhuǎn)輪缺陷后，采用保溫毯覆蓋緩冷。

3.2 裂紋氣刨及焊接

3.2.1 貫穿性裂紋

針對貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對待處理的裂紋部位進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥60℃；根據(jù)實際空間位置，焊工確認裂紋清理面，按圖清理裂紋，并預(yù)制焊接坡口，應(yīng)在距離裂紋尖端10 mm位置標記并設(shè)止裂孔，然后從裂紋尖端起進行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤。

焊接正面坡口，要求多層多道焊；背面清根，使用碳弧氣刨清根，打磨見金屬光澤；清根表面的探傷，對清根表面進行PT探傷，確認裂紋清理干凈；焊接背面坡口，要求多層多道焊，焊接過程中，除打底層外，必須用錘擊方法進行焊接殘余應(yīng)力的釋放。3.2.2 非貫穿性裂紋

針對非貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對待處理的裂紋部位進行加熱，預(yù)熱溫度≥60℃；采用旋轉(zhuǎn)銼打磨清除裂紋（優(yōu)先使用旋轉(zhuǎn)銼，深度大于10 mm時可采用碳弧氣刨清除）。當(dāng)采用碳弧氣刨清除缺陷，應(yīng)在距離裂紋尖端10 mm位置標記并設(shè)止裂孔，然后從裂紋尖端起進行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤；然后按照ASME標準進行MT或PT探傷，確認缺陷清理干凈。焊接規(guī)范按照東電提供焊接規(guī)范手冊執(zhí)行。焊接采用手工電弧焊或熔化極氣體保護焊焊接。

要求深度超過5 mm，進行多層多道焊，除打底層外，必須用錘擊方法進行焊接殘余應(yīng)力的釋放。

焊接時，焊縫表面應(yīng)高于母材表面3 mm，作為打磨余量。焊接材料的型號及規(guī)格見表3、表4。

表3 焊接材料（手工電弧焊）

表4 焊接材料（熔化極氣體保護焊）

3.3 焊后打磨和探傷

粗磨焊縫表面，特別注意過渡區(qū)域的打磨和防止打磨縮頸；對缺陷深度大于10 mm的部位，按ASME標準進行UT檢查；對葉片厚度、焊角R尺寸等進行檢測，確定精磨余量；焊縫UT探傷合格后精磨和拋光焊縫表面；對焊縫及相關(guān)打磨區(qū)域進行按ASME標準PT檢查。

4 結(jié)論

本文根據(jù)黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪成因分析及修復(fù)過程，提出以下建議：對于新建電站要加大力度復(fù)核和不斷嚴謹轉(zhuǎn)輪焊接制造工藝要求，嚴格控制補焊工藝要求，記錄修復(fù)過程參數(shù)，尤其是控制焊前焊后溫度時間，并對補焊位置進行硬度測試；對于已投產(chǎn)電站，記錄機組振擺數(shù)據(jù)，根據(jù)實際各種工況的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性特征，劃分機組可以長期運行區(qū)、允許短時運行區(qū)、避振運行區(qū)等運行范圍，盡可能在水輪機最優(yōu)工況下運行，盡量避免低水頭下的低負荷運行，密切關(guān)注水泵工況最大和最小揚程附近機組各項穩(wěn)定性能指標值。在檢修工作中，安排定期進行MT/PT檢查、UT檢查（建議1年1次），檢查轉(zhuǎn)輪過流面表面狀況。