萬(wàn)學(xué)貴

（華電四川發(fā)電有限責(zé)任公司寶珠寺水力發(fā)電廠，四川 廣元 628003）

0 引言

寶珠寺水電站位于四川省廣元市三堆鎮(zhèn)境內(nèi)，廠房為壩后式布置，電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量175MW水輪發(fā)電機(jī)組，在系統(tǒng)中承擔(dān)著電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用等重?fù)?dān)。13F機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電時(shí)間為1997年，在機(jī)組歷次檢修過(guò)程中，均發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有輕微氣蝕，經(jīng)補(bǔ)焊修復(fù)后無(wú)損檢測(cè)合格。自2019年6月隨著電網(wǎng)鄂渝直流背靠背聯(lián)網(wǎng)的投運(yùn)，寶珠寺水電站4臺(tái)機(jī)組實(shí)行AGC投遠(yuǎn)方的運(yùn)行方式，導(dǎo)致機(jī)組平均空載運(yùn)行時(shí)間是過(guò)去5年平均空載運(yùn)行時(shí)間的14.6倍，平均低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間是過(guò)去5年平均低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的5.6倍，月均穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)同比增加81.56%，加劇了轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生[1]。

1 轉(zhuǎn)輪裂紋情況

2020年5月，在13F機(jī)組大修期間，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行PT和UT探傷時(shí)，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片與上冠的組合焊縫及熱影響區(qū)存在多處超標(biāo)缺陷，共計(jì)有141條裂紋，裂紋均由內(nèi)向外擴(kuò)展，裂紋方向無(wú)規(guī)律性，最深達(dá)到56mm，最長(zhǎng)達(dá)到320mm。具體分布情況如表1所示，其中UT所測(cè)量裂紋分布如表2所示。

表1 轉(zhuǎn)輪進(jìn)行PT和UT探傷結(jié)果

表2 UT所測(cè)量裂紋分布情況

2 轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析

只要科學(xué)分析透徹轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的原因，采取有針對(duì)性的治療與防范措施，才能延長(zhǎng)轉(zhuǎn)輪使用“壽命”。初步分析原因?yàn)橐皇寝D(zhuǎn)輪固有的性能導(dǎo)致裂紋，如轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、材料、葉片形狀及鑄造質(zhì)量、焊接應(yīng)力變化等；二是機(jī)組運(yùn)行方式的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期處于振動(dòng)區(qū)、水力不平衡態(tài)，使轉(zhuǎn)輪處于應(yīng)力大幅波動(dòng)變化的范圍內(nèi)，加速了轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生[2]。外在因素（AGC投遠(yuǎn)方運(yùn)行方式無(wú)法改變）不可控，內(nèi)在原因分析如下：

（1）在結(jié)構(gòu)方面，經(jīng)過(guò)鉆研轉(zhuǎn)輪裝配圖和加工圖，查出水輪機(jī)型號(hào)為HLD89-LJ-500型，由東方電機(jī)廠制作。轉(zhuǎn)輪為分瓣轉(zhuǎn)輪（兩瓣），由上冠、14個(gè)葉片、下環(huán)及泄水錐組成。上冠最大外徑∮4599mm，下環(huán)最大外徑∮5420mm，高2875mm，凈重為84588㎏，是我國(guó)首次制造的大型分半鑄焊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)輪。由于制造方面的原因,在上冠、葉片和下環(huán)內(nèi)部或多或少地存在著諸如疏松、縮孔、氣泡、偏析、夾雜物、粗晶等鑄造缺陷,使得轉(zhuǎn)輪整體存在著許多不連續(xù)處,相當(dāng)于裂紋源[3]。

（2）在材料方面，轉(zhuǎn)輪上冠材料為碳鋼ZG20SiMn，葉片材料為不銹鋼ZG0Cr13Ni6Mo。查得ZG20SiMn、ZG0Cr13Ni6Mo的化學(xué)成分及機(jī)械性能如下表所示：

表3 轉(zhuǎn)輪上冠材料情況

按照國(guó)際焊學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，碳當(dāng)量=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cr）/15（%）。計(jì)算得出，轉(zhuǎn)輪上冠ZG20SiMn的碳當(dāng)量為0.34%，葉片ZG0Cr13Ni6Mo的碳當(dāng)量為3.22%。碳當(dāng)量比較大，焊接時(shí)必須預(yù)熱。選用強(qiáng)度稍低于母材的雙相奧氏體焊條進(jìn)行補(bǔ)焊。原因是：①焊縫塑性好，應(yīng)力松馳能降低焊接接頭的應(yīng)力水平及改善應(yīng)力分布；②奧氏體溶氫量大，可防止由于焊縫熱影響淬硬以及氫致集中應(yīng)力所引起的不利影響，抑制冷裂紋的產(chǎn)生；③預(yù)熱溫度可適當(dāng)降低[4]。

（3）在應(yīng)力方面，轉(zhuǎn)輪共有14個(gè)葉片，由于轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的周期性，分析時(shí)取其結(jié)構(gòu)的1/14 對(duì)稱周期部分進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)輪采用三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，應(yīng)用 ANSYS 軟件中的專用程序，進(jìn)行葉片表面水壓力加載。計(jì)算結(jié)果顯示：寶珠寺轉(zhuǎn)輪最大拉應(yīng)力為86.43MPa，最大徑向變形為0.268mm，產(chǎn)生在葉片出水邊與下環(huán)交接處。轉(zhuǎn)輪在飛逸轉(zhuǎn)速工況時(shí)的最大拉應(yīng)力為265.27MPa，最大徑向變形為2.375mm。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的材料屈服強(qiáng)度極限校核，裂紋修復(fù)焊接要滿足機(jī)組安全運(yùn)行的剛強(qiáng)度要求[5]。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)處理

針對(duì)原因分析，我們從焊接材料、焊接工藝和熱處理工藝三個(gè)方面來(lái)實(shí)施改善。

（1）在焊接材料方面，采用組合焊的方式，CHS237焊條進(jìn)行手工電弧焊打底：CHS237是低氫型藥皮的不銹鋼焊條，因?yàn)楹缚p金屬含有釩，故具備良好的耐蝕性和抗裂功能。運(yùn)用直流反接，能進(jìn)行全位置的焊接。ER309 焊絲進(jìn)行氣體保護(hù)焊填充：ER309 因?yàn)楹琒i高達(dá)0.8%，降低了熔滴金屬的外表張力，使熔滴顆粒變細(xì)，更容易完成噴射過(guò)度，使電弧變得更穩(wěn)定。同時(shí)還能改善熔滴金屬的潮濕性，使焊道波紋好看，不易發(fā)生未焊透，夾渣，氣孔等缺陷。提高焊接效率，焊接效率是手工電弧焊的4倍。GHS042焊條進(jìn)行手工電弧焊蓋面：CHS042是鈦鈣型藥皮的超低碳不銹鋼焊條，交直流兩用，用于相同類型的超低碳不銹鋼材料及異種鋼焊接。因?yàn)楹附又屑尤肓诉m量的鉬，從而提高了焊接縫金屬的抗裂性及耐腐蝕功能。所有焊條在焊接前需按使用說(shuō)明書上的要求進(jìn)行烘烤，焊接過(guò)程中使用焊條保溫筒進(jìn)行保溫[6]。

（2）在焊接工藝方面，我們經(jīng)過(guò)工序優(yōu)化，制定了焊接工藝流程圖。

圖1 焊接工藝流程圖

轉(zhuǎn)輪裂紋處理焊接工藝：①對(duì)深度小于20mm的裂紋采用風(fēng)動(dòng)砂輪、合金旋轉(zhuǎn)銼相結(jié)合方式進(jìn)行打磨清根處理，直至PT探傷合格；②對(duì)深度大于20mm的裂紋采用碳弧氣刨進(jìn)行清根處理，且需從裂紋兩端外側(cè)10mm處向中間刨除，表面采用Ф10、Ф8炭精棒，裂紋根部采用Ф6炭精棒，直至PT探傷合格；③焊接面打磨見(jiàn)金屬光澤、清掃干凈；④焊接前采用電加熱法對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處置，焊接預(yù)熱溫度≥80℃，道間溫度≤200℃；⑤焊接時(shí)需對(duì)稱、多層多道、分段焊接，焊縫接頭需交錯(cuò)，每處裂紋坑一次焊接量不得多于兩道；⑥每層焊接后必須使用風(fēng)鏟錘擊進(jìn)行消應(yīng)處理；⑦焊后必須用電加熱片進(jìn)行保溫處理；⑧焊后無(wú)損檢測(cè)合格；⑨焊后焊縫表面要求與母材齊平，粗糙度不低于原表面，且需保證葉片與上冠焊接R角與原設(shè)計(jì)一致。

（3）在熱處理工藝方面，焊后熱處理可以降低焊縫和熱影響區(qū)硬度，改善其塑性和韌性，同時(shí)減少焊接殘余應(yīng)力，去除接頭中的擴(kuò)散氫，防止延遲裂紋的產(chǎn)生。熱處理工藝有退火、回火、正火、淬火等方法，本次13F機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊后熱處理采用退火處理，退火溫度為（580±10）℃，保溫10h后，以小于30℃/h的冷卻速度冷卻到150℃以后空冷。熱處理工藝曲線見(jiàn)圖2。

圖2 熱處理工藝曲線

測(cè)試結(jié)果表明：熱處理后，轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力下降了58%，滿足相關(guān)技術(shù)要求，退火效果不錯(cuò)，從而提高了轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命、抗脆斷能力、抵抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的能力。

為了對(duì)焊接質(zhì)量全過(guò)程管控，我們還編制了焊接工藝評(píng)定卡，焊接過(guò)程中需做好預(yù)熱溫度、焊接工藝參數(shù)、層間溫度、消應(yīng)處理等數(shù)據(jù)記錄。每進(jìn)行一步工序，各作業(yè)人員都要進(jìn)行簽證，保證質(zhì)量可追溯。

圖3 焊接工藝評(píng)定卡

同時(shí)，在焊接過(guò)程中需監(jiān)視轉(zhuǎn)輪的變形量，在轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)及水輪機(jī)大軸的±XY方向分別架設(shè)百分表，變形量以每小時(shí)不超過(guò)0.30mm為宜。機(jī)組回裝時(shí)，用轉(zhuǎn)輪上下止漏環(huán)數(shù)據(jù)驗(yàn)證轉(zhuǎn)輪變形量是否在正常范圍內(nèi)。

4 轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)后的情況

6月2日，機(jī)組轉(zhuǎn)輪按上述修復(fù)方案修復(fù)后，無(wú)損（PT+UT）檢測(cè)結(jié)果合格，用標(biāo)準(zhǔn)翼型檢測(cè)尺檢查轉(zhuǎn)輪葉片與上冠焊接R角符合原設(shè)計(jì)要求。機(jī)組回裝時(shí)，我們用轉(zhuǎn)輪上下止漏環(huán)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證轉(zhuǎn)輪的變形量，通過(guò)分析計(jì)算，轉(zhuǎn)輪變形量較DL/T817-2014立式水輪發(fā)電機(jī)檢修技術(shù)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)提高了60%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即轉(zhuǎn)輪變形量在合格范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)輪也實(shí)現(xiàn)了華麗蛻變。

經(jīng)過(guò)汛期的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，11月18日，我們進(jìn)行了13F機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪專項(xiàng)檢查，對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全面的PT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示轉(zhuǎn)輪只有輕微的氣蝕孔，無(wú)裂紋產(chǎn)生。說(shuō)明轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)處理工藝經(jīng)受住了實(shí)踐的檢驗(yàn)，延長(zhǎng)了13F機(jī)組轉(zhuǎn)輪的使用壽命，為其它機(jī)組水輪機(jī)改造贏得了寶貴時(shí)間。同時(shí)修復(fù)質(zhì)量?jī)?yōu)良，提高了轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的可靠性，為防洪發(fā)電雙豐收提供了有力支撐。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)焊接材料的選擇，制定合理的焊接工藝和熱處理工藝，及時(shí)消除了水輪機(jī)重大缺陷，有效控制了殘余應(yīng)力，提高了轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)質(zhì)量，縮短了修復(fù)工期，預(yù)防水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋。寶珠寺水電站13F機(jī)組轉(zhuǎn)輪經(jīng)修復(fù)處理后，機(jī)組運(yùn)行后水輪機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)均在正常范圍內(nèi)。對(duì)于寶珠寺水電站13F機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋分析與修復(fù)處理可為其它電站同類型轉(zhuǎn)輪裂紋的分析與處理提供參考借鑒。