四川大唐國(guó)際甘孜水電開(kāi)發(fā)有限公司 四川 甘孜 626001

1 引言

某水電站左岸廠房安裝4臺(tái)200MW混流式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG00Cr13Ni5Mo，右岸廠房2臺(tái)25MW混流式機(jī)組，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG06Cr16Ni5Mo。投產(chǎn)后各機(jī)組共經(jīng)歷了3次C修，在葉片出水邊根部與上冠、下環(huán)的組合焊縫和熱影響區(qū)多次發(fā)現(xiàn)貫穿性裂紋，葉片及焊縫附近區(qū)域伴有串列氣孔、微裂紋、夾渣等缺陷，長(zhǎng)度50～105mm不等，如圖1-2。針對(duì)混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪頻繁出現(xiàn)裂紋的情況，本文從多方面分析了裂紋產(chǎn)生的原因，并就裂紋修復(fù)處理和防裂措施提出了建議。

圖1 組合焊縫處貫穿性裂紋

圖2 裂紋附近串列氣孔

2 裂紋原因分析

轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂通常分為裂紋的萌生、裂紋擴(kuò)展及貫穿性開(kāi)裂三個(gè)階段。造成轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂是由多種因素共同作用導(dǎo)致的，其中轉(zhuǎn)輪的制造質(zhì)量、應(yīng)力狀況、水力因素、運(yùn)行工況對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展有重要影響。

(1)制造質(zhì)量?；炝魇剿啓C(jī)組轉(zhuǎn)輪都是鑄焊結(jié)構(gòu)，葉片在鑄造過(guò)程中打孔操作容易形成砂眼，焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)夾渣，這些缺陷易導(dǎo)致應(yīng)力集中。葉片為一體鑄造，在葉片正面和背面易存在點(diǎn)狀鑄造缺陷，這些鑄造缺陷易形成裂紋源。轉(zhuǎn)輪焊接接頭形狀復(fù)雜，焊材填充量大，焊后進(jìn)行熱處理，殘余應(yīng)力的幅值仍很大，焊縫缺陷在過(guò)大的殘余應(yīng)力作用下也易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。同時(shí)，ZG00Cr13Ni5Mo/ZG06Cr16Ni5Mo屬于Cr-Ni系馬氏體不銹鋼，淬硬傾向大。

隨著轉(zhuǎn)輪服役時(shí)間的延長(zhǎng)，原先經(jīng)表面機(jī)加工埋藏在葉片內(nèi)部的鑄造缺陷和焊接缺陷逐漸暴露出來(lái)，應(yīng)力集中部位的缺陷極易形成裂紋源。

(2)水力因素。水力因素是造成裂紋擴(kuò)展和轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂的主要因素，包括尾水壓力脈動(dòng)、卡門渦、水力彈性振動(dòng)等。葉片疲勞來(lái)源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動(dòng)引發(fā)，這可能是卡門渦列、水力彈性振動(dòng)或水壓力脈動(dòng)所誘發(fā)。

(3)應(yīng)力狀況。轉(zhuǎn)輪空載時(shí)，其主要受力為離心力和重力；帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，工況調(diào)節(jié)過(guò)渡過(guò)程中由于水壓脈動(dòng)、水錘及機(jī)組出力急劇變化等因素，轉(zhuǎn)輪葉片承受較大的交變應(yīng)力。葉片傳遞的環(huán)向拉應(yīng)力主要由上冠和下環(huán)來(lái)承擔(dān)，提高了葉片出水側(cè)根部應(yīng)力，同時(shí)，此處的焊接殘余應(yīng)力也較大，使得轉(zhuǎn)輪葉片出水側(cè)與上冠及下環(huán)焊縫位置為應(yīng)力峰值區(qū)域。

轉(zhuǎn)輪葉片所承受應(yīng)力包括:固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片相互作用所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)所形成的動(dòng)應(yīng)力；超出出力工況下和部分負(fù)荷工況下由渦帶形成的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力；由于進(jìn)出水流不均勻而產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力；卡門渦和葉道渦引起的動(dòng)應(yīng)力。當(dāng)葉片承受的應(yīng)力超過(guò)葉片材料疲勞極限或瞬時(shí)應(yīng)力峰值超過(guò)了強(qiáng)度極限就會(huì)發(fā)生疲勞開(kāi)裂。

(4)運(yùn)行方式。不良的運(yùn)行方式是裂紋產(chǎn)生的催化劑，不同運(yùn)行工況對(duì)葉片裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展影響較大，工況不同葉片承受的動(dòng)載荷不同。水輪機(jī)在低負(fù)荷區(qū)或者振動(dòng)較大區(qū)間運(yùn)行時(shí)，水力不穩(wěn)定，機(jī)組振動(dòng)偏大，使葉片承受的動(dòng)應(yīng)力較大，作用在葉片上的穩(wěn)定應(yīng)力和振動(dòng)交變應(yīng)力對(duì)葉片材料的累計(jì)損傷造成了微裂紋和裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致振動(dòng)疲勞開(kāi)裂。

3 裂紋修復(fù)處理

在已經(jīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪裂紋的情況下，通過(guò)綜合考慮機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)效益，制定一種可靠、有效的修復(fù)方案，并嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行顯得尤為重要。對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠、下環(huán)焊縫的高應(yīng)力區(qū)的裂紋，大多由高周疲勞引起，這種裂紋的形成和發(fā)展比較快，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)盡早進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)處理。制定焊補(bǔ)方案時(shí)要考慮以下因素:

(1)裂紋修復(fù)過(guò)程中，嚴(yán)格把控確保裂紋徹底清除，清除后用PT或MT檢測(cè)確認(rèn)；裂紋清除時(shí)碳刨表面必須用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)或橢圓型磨頭將氣刨表面打磨出金屬光澤，以消除表面滲碳層。

(2)選用低氫或堿性焊條，將待焊區(qū)域坡口及其附近油污、水等有害雜質(zhì)清除干凈；焊條進(jìn)行烘干、去水、干燥處理，以便徹底去除水分；選用低強(qiáng)匹配的焊材，這樣可降低焊接接頭的拘束應(yīng)力，降低冷裂紋的形成幾率。

(3)轉(zhuǎn)輪裂紋焊接修復(fù)是一個(gè)局部的不均勻加熱、冷卻的過(guò)程，Cr-Ni系馬氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱系數(shù)小、多次補(bǔ)焊修復(fù)會(huì)導(dǎo)致熱應(yīng)變、熱應(yīng)力增大，補(bǔ)焊部位及熱影響區(qū)附近殘余應(yīng)力偏高，為了減少焊接后的變形和殘余應(yīng)力，盡量選擇低應(yīng)力的焊材，焊條直徑盡量選擇小直徑焊條，待修復(fù)區(qū)域附近應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱，預(yù)熱溫度100℃以上，焊接時(shí)采用多層多道焊，焊接層間溫度控制在100-150℃，盡量控制焊接變形量到最小，同時(shí)應(yīng)采用不銹鋼風(fēng)鏟錘擊的方法消除焊接應(yīng)力；焊接完成后立刻用石棉布保溫補(bǔ)焊區(qū)，緩慢冷卻，避免冷卻速度過(guò)快，產(chǎn)生冷裂紋。

(4)焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制焊接工藝，保證焊接質(zhì)量，焊接完成后焊縫表面嚴(yán)格控制焊接部位與周圍區(qū)域圓滑過(guò)渡，減小應(yīng)力集中，并保持原有線型，焊后24h后進(jìn)行MT或PT檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)超標(biāo)缺陷。

4 預(yù)防開(kāi)裂措施

法國(guó)ALSTOM公司通過(guò)電站實(shí)測(cè)和疲勞強(qiáng)度研究證明:混流式轉(zhuǎn)輪在部分負(fù)荷下運(yùn)行所承受的高動(dòng)應(yīng)力會(huì)使疲勞強(qiáng)度下降并導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展。他們發(fā)現(xiàn)，在部分負(fù)荷下運(yùn)行對(duì)轉(zhuǎn)輪有嚴(yán)重的傷害。對(duì)于葉片與上冠的連接部位，在最大功率下運(yùn)行的壽命是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的300倍。根據(jù)實(shí)測(cè)資料和機(jī)組運(yùn)行狀況，二灘電站將水輪機(jī)的運(yùn)行范圍劃為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、許可運(yùn)行區(qū)、禁止運(yùn)行區(qū)后，裂紋不再發(fā)生[1]。

作為在役機(jī)組，轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生是多種因素綜合作用的結(jié)果。新機(jī)組投產(chǎn)初期，因轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力高和潛在的缺陷尚未暴露，避開(kāi)低負(fù)荷及振動(dòng)區(qū)運(yùn)行是防止或延遲轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂的重要手段。通過(guò)摸清機(jī)組的振動(dòng)特性，讓機(jī)組避開(kāi)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，降低轉(zhuǎn)輪葉片承受的動(dòng)載荷，減少葉片發(fā)生疲勞裂紋的可能性。待機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)輪里面的一部分殘余應(yīng)力釋放完畢，實(shí)行避振運(yùn)行能有效防止轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂。