韋程軍

【摘 要】信息化程度的加深，使得人們對于電力需求逐漸增多，為了滿足人們的電力需要，水電廠成為了供電廠的重要構(gòu)成，而水渦輪裂紋的出現(xiàn)，干擾了整個水電廠的運(yùn)作，阻礙了水電廠的發(fā)展。因此，本文先分析了水電廠中水渦輪出現(xiàn)裂紋的原因，然后針對其裂紋原因提出了有效的處理策略，以此保證水電廠正常運(yùn)作。

【關(guān)鍵詞】水電廠；水渦輪；裂紋；處理策略

前言：水渦輪可謂是整臺機(jī)器的核心部件，其為機(jī)組的正常工作提供了動力，屬于機(jī)組的驅(qū)動系統(tǒng)。另外，水渦輪還能夠調(diào)節(jié)流量，確保PE管的回收速度始終處在均勻狀態(tài)。但是近些年，水渦輪易出現(xiàn)裂紋問題，其質(zhì)量堪憂，嚴(yán)重影響了相關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行，不利于水電廠的正常運(yùn)作。因而研究其裂紋原因極為必要。

一、水電廠水渦輪裂紋原因分析

（一）現(xiàn)場檢測

本文所述水渦輪裂紋問題是依照五強(qiáng)溪水電廠的水輪發(fā)電機(jī)組中的水渦輪進(jìn)行的。五強(qiáng)溪水電廠的發(fā)電機(jī)組自建成投產(chǎn)以來，其4號機(jī)與5號機(jī)的設(shè)備存在水渦輪裂紋問題，并且裂紋大多數(shù)在葉片的出水邊和上冠連接處，并且大體為貫穿性裂紋。通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，其裂紋長度如表1所示。

據(jù)目測來看，沿著葉片的方向存在一個長約0.5-1.5mm的裂口，并且部分葉片之間存在著1mm錯位；葉片的斷口呈現(xiàn)出黑色或是紅褐色腐蝕狀，在葉片的出水邊有少量汽蝕，呈點(diǎn)狀，未看見明顯的磨損現(xiàn)象；水渦輪的葉片的背部裂紋長度比正面長；葉片背面的裂紋呈直線狀，其斷口十分鋒利；而葉片正面的裂紋有分岔問題，其斷口為鋸齒狀。

（二）實(shí)驗(yàn)研究

為了對水渦輪裂紋出現(xiàn)的原因進(jìn)行細(xì)致的分析，為其處理辦法提供有效的決策依據(jù)，有關(guān)人員在5號葉片的裂紋位置截取了10cm*3cm的試塊，共兩塊，并送到德國的Voith Siemens總部進(jìn)行全面試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果如下：

首先，通過對試塊進(jìn)行機(jī)械性能測試，其硬度測試結(jié)果：葉片區(qū)域的硬度為270Hv30，焊縫區(qū)域的硬度為305Hv30；其強(qiáng)度測試結(jié)果為：屈服強(qiáng)度為719MPa（設(shè)計值>550MPa）、拉伸強(qiáng)度為877MPa（設(shè)計值>750MPa）、延伸率為20.1%（設(shè)計者>17%）、斷面收縮率為60.6%；其強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果：沖擊韌性為74J。

其次，對裂紋的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從裂紋的表面來看，此裂紋屬于疲勞裂紋，因?yàn)樵噳K的表面光滑，帶有明顯疲勞紋；從裂紋的延伸方向上看，存在許多小孔，但是這些小孔并不會對裂紋的產(chǎn)生起到影響作用[1]。另外，裂紋是由葉片背面的圓角處開始裂開。

然后，對水渦輪裂紋進(jìn)行了金相分析，從大體上看，裂紋是從一個小包容物開始開裂，并且此包容物大約有5mm長，通過仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，這個包容物是焊接時的熔渣。而且，母材存在的小孔不會使疲勞裂紋延長。通過對焊材進(jìn)行金相組織分析，試塊的焊接金屬為馬氏體結(jié)構(gòu)，晶粒的邊界存在少量的碳化物，不含有 鐵素與初生馬氏體。通過對熱影響區(qū)進(jìn)行金相組織分析，試塊的熱影響區(qū)的金屬為馬氏結(jié)構(gòu)體，不存在 鐵素與初生馬氏體，但是其晶體結(jié)構(gòu)為典型馬氏體中不銹鋼鑄鋼。

最后，通過取樣分析發(fā)現(xiàn)，水渦輪裂紋不存在因鑄造或焊接等出現(xiàn)應(yīng)力上升因素；不存在硬度超標(biāo)、沖擊韌性差等金屬材料缺陷；各項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)相符；裂紋延伸率不高，無脆斷痕跡。因此，出現(xiàn)裂紋的原因與材料、尺寸、工藝無關(guān)。

（三）有限元計算分析

首先，對原形幾何形狀進(jìn)行有限元分析，兩塊試塊的最大等效力分別為100%與111%；其次，對葉片及其上冠出水邊進(jìn)行單元模型分析，兩塊試塊的最大等效力分別為104%與117%；然后通過對其進(jìn)行固有頻率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在裂紋發(fā)生部位存在高平均應(yīng)力、在葉片出水邊和上冠連接位置的裂紋可能是因振動產(chǎn)生的應(yīng)力集中、水流在經(jīng)過導(dǎo)水葉時出現(xiàn)的激振頻率接近27.7Hz。

二、水電廠水渦輪裂紋處理策略

（一）焊前處理

第一，缺陷標(biāo)示。按照超聲波探傷與滲透探傷的結(jié)果，要將水渦輪所有要挖除的區(qū)域標(biāo)記出，范圍在圍繞裂紋端部8cm以上的區(qū)域，從而得到較為平緩的焊接過渡區(qū)。

第二，碳刨與坡口的打磨。焊接人員應(yīng)從標(biāo)示頂部進(jìn)行碳刨作業(yè)，與此同時要確保刨出的坡口與焊接技術(shù)要求相一致。因?yàn)樯瞎诳臻g有限，所以在實(shí)際碳刨作業(yè)中要依照坡口角度的具體情況予以適當(dāng)調(diào)整[2]。在碳刨作業(yè)結(jié)束后，打磨出1mm厚的坡口表面，同時要將表面的滲碳層進(jìn)行清除處理。在坡口打磨結(jié)束后進(jìn)行PT檢驗(yàn)，合格后繼續(xù)其他處理作業(yè)。

第三，預(yù)熱。預(yù)熱的溫度范圍在100℃-150℃，預(yù)熱的焊接范圍是由坡口邊緣至10cm范圍以上的區(qū)域，預(yù)熱方式為氧乙炔火焰進(jìn)行加熱。

（二）焊接與打磨

首先，要使用引弧板或是熄弧板進(jìn)行焊接，并且每個起弧點(diǎn)、熄弧點(diǎn)要在引弧板上或是破口外部。同時要保證引弧板材質(zhì)和工件一致，若是不一致要保證焊接表面的堆焊材料一致。

其次，要記錄好焊接參數(shù)及順序。焊接參數(shù)要對照焊接工藝指導(dǎo)書的要求，確保相符；并且從大坡口的某側(cè)至內(nèi)部記做區(qū)域①、區(qū)域③，而小坡口記做區(qū)域②。具體焊接順序?yàn)楹附訁^(qū)域①→背部清根→PT檢驗(yàn)→焊接區(qū)域②→焊接區(qū)域③。之后要在每一面的焊層上進(jìn)行回火焊道，進(jìn)而提高熱影響區(qū)所具有的韌性。

最后，進(jìn)行打磨作業(yè)。要對焊縫表面進(jìn)行打磨，打磨至光滑并與母材處于平齊狀態(tài)，圓角要與圖紙要求相一致。

（三）無損檢驗(yàn)及焊后熱處理

在進(jìn)行無損檢驗(yàn)時，要分別進(jìn)行PT檢驗(yàn)與UT檢驗(yàn)。其中PT檢驗(yàn)是對打磨區(qū)域進(jìn)行檢驗(yàn)，以此確保不存在線性顯示以及尺寸低于4.8mm的圓形顯示。而UT檢驗(yàn)時保持焊接后的水渦輪葉片不存在裂紋、未熔合以及未焊透問題，保證沒有高于19mm的長度裂紋缺陷。

在進(jìn)行焊后熱處理時，要將溫度增加到550℃-660℃，但是此種方式會使轉(zhuǎn)輪與連接法蘭的溫度超高，所以總部決定將此處理方式替換成加焊回火層。此技術(shù)能夠保證焊縫具有退火效果，在對最外層進(jìn)行焊接時，也可使用此種方式，進(jìn)行退火[3]。值得注意的是，在最后要將回火層全部打磨掉，并做清除處理。

（四）轉(zhuǎn)輪改進(jìn)處理

此步驟是在葉片出水邊及上冠連接位置安裝三角鋼板，將其作為葉片延伸，以此降低集中應(yīng)力對裂紋部位施加的所用力。具體如圖1所示。并且此種方法已在德國某水電廠得到了較高的使用效果，但是此處理方式在我國還有待驗(yàn)證。

結(jié)束語：綜上所述，通過對水電廠的水渦輪裂紋進(jìn)行細(xì)致的分析研究發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)的主要原因是集中荷載力與水流共振造成的，同時還存在焊接殘余應(yīng)力的因素。在對焊縫處理時，可以通過再次焊接熱處理或是加裝應(yīng)力釋放的三角鋼板方式予以治理，從而保證水電廠設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

（作者單位：廣西桂冠電力股份有限公司檢修分公司）