劉 敏

大唐衡陽(yáng)發(fā)電股份有限公司，湖南衡陽(yáng) 421001

0 引言

水輪機(jī)屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械一類，它的主要工作是將水流的能量轉(zhuǎn)換成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。早在2000多年前，中國(guó)古人就發(fā)明了水輪，用于灌溉以及加工糧食，這就是水輪機(jī)的最早模型。現(xiàn)代水輪機(jī)則安裝在水電站內(nèi)，用來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

而對(duì)于水輪機(jī)而言，其核心部件就是轉(zhuǎn)輪。通過(guò)轉(zhuǎn)輪的工作，可以把水流的能量轉(zhuǎn)化為人類需要的機(jī)械能，完成能量之間的轉(zhuǎn)換；可以說(shuō)轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量好壞決定著水輪機(jī)工作性能的優(yōu)劣。轉(zhuǎn)輪的葉型、尺寸精度、表面粗糙度和材料質(zhì)量直接影響機(jī)組的效率和使用壽命。目前，國(guó)際上都是以轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量來(lái)衡量一個(gè)國(guó)家水輪機(jī)制造工藝的優(yōu)良。

1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生原因

水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)了，其轉(zhuǎn)輪會(huì)不可避免地產(chǎn)生一些小的裂紋，這樣將會(huì)給水輪機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患，一旦發(fā)生安全事故，對(duì)水電廠來(lái)說(shuō)將是不可挽回的重大損失。水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪輪轂與葉片間過(guò)渡區(qū)是容易發(fā)生裂紋的區(qū)域，從力學(xué)結(jié)構(gòu)上來(lái)分析，它是整個(gè)轉(zhuǎn)輪最薄弱的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)多年的理論分析和實(shí)踐證明，此區(qū)域造成裂紋的原因主要有以下幾種情況：

1.1 受力過(guò)于集中

在離心力和水壓力的共同作用下，在轉(zhuǎn)輪葉片周邊作為轉(zhuǎn)輪工作時(shí)的主要應(yīng)力區(qū)。相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊的分布可以通過(guò)第三強(qiáng)度理論可以計(jì)算得出，通過(guò)分析計(jì)算我們找到了轉(zhuǎn)輪葉片的四個(gè)主要應(yīng)力區(qū)，其位置分別為：

1）葉片進(jìn)水的正面并靠近上冠部分；

2）葉片出水邊正面的中部；

3）葉片出水邊背面靠近上冠處；

4）葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。

由于受力的不均勻，將會(huì)造成轉(zhuǎn)輪葉片的上述部位過(guò)載受力，極易產(chǎn)生裂紋。

1.2 鑄造與焊接過(guò)程中造成的缺陷

在外部力量的影響下，機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中所形成的鑄造氣孔、砂眼等都有可能會(huì)形成裂紋。轉(zhuǎn)輪葉片在受冷卻過(guò)程中可能產(chǎn)生縮孔并造成松動(dòng)，這是由于其上冠和下環(huán)的厚度相關(guān)非常大。在轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)鑄造時(shí)，如果焊接工藝不正確，或者沒(méi)按施工工藝要求進(jìn)行操作，就會(huì)在焊接縫和受熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。

1.3 工作運(yùn)行中的原因

由于轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行工作長(zhǎng)期處于低負(fù)荷活著超負(fù)荷的狀態(tài)下，這同樣會(huì)使得葉片在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋，并且加劇。

2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的種類

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的裂紋一般都是在出水邊側(cè)葉片與下環(huán)之間的焊接接頭處形成的，主要原因包括：

1）形成于母材和焊縫的交界處，焊縫縱向平行方向一般是裂紋產(chǎn)生的方向，先產(chǎn)生于表面，逐步向母材深處延伸；

2）焊縫根部的最大應(yīng)力集中處是裂縫的起源處。在焊接熱影響區(qū)和焊縫金屬內(nèi)，都有可能形成裂紋。具體情況是由母材和焊縫的強(qiáng)度、塑性以及根部的形狀這些因素來(lái)決定的；

3）在出水邊圓R處產(chǎn)生的裂紋，這種裂紋的取向一般與熔合線平行，但有時(shí)也會(huì)與之垂直。在淬硬傾向大的區(qū)內(nèi)容易形成此類裂紋。

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的焊接修復(fù)

以湖南某水電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的修復(fù)為例，轉(zhuǎn)輪母材材質(zhì)為低碳馬氏體不銹鋼ZG0Cr13Ni5Mo，修復(fù)裂紋選擇的是三相組織G367M焊條，它包含鐵素體、奧氏體和馬氏體，可以有效預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)輪母材和焊縫金屬的化學(xué)成分如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)輪母材與焊縫金屬的化學(xué)成分

3.1 轉(zhuǎn)輪裂紋焊接前的準(zhǔn)備

首先要依據(jù)PT探傷的結(jié)果標(biāo)記出需修復(fù)的區(qū)域，明顯標(biāo)記出裂紋的端頭位置，從而依據(jù)裂紋尺寸及部位決定裂紋處理原則。

其次，在清除裂紋前為阻止裂紋的擴(kuò)展，要先在裂紋的尖端打止裂孔以截?cái)嗔鸭y，止裂孔的孔深應(yīng)比裂紋深度深。在裂紋清除過(guò)程中，一般采用碳弧氣刨方法加砂輪機(jī)打磨的方法進(jìn)行清除。為了防止過(guò)熱造成裂紋擴(kuò)展及葉片變形，碳弧氣刨必須間斷使用，必要時(shí)可加鉆止裂孔阻止裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)缺陷清除后，一定要將碳弧氣刨造成的滲碳層徹底用砂輪機(jī)打磨干凈，直到露出金屬光澤，還應(yīng)進(jìn)行PT檢測(cè)，確認(rèn)轉(zhuǎn)輪裂紋徹底清除。

第三，為了有利于施焊，缺陷修補(bǔ)處要制出焊接坡口，坡口角度在40°～50°之間，坡口深度要保證能清除干凈裂紋，且要徹底打磨干凈滲碳層。

最后，在進(jìn)行補(bǔ)焊前，一定要用丙酮將待焊區(qū)域及其附近50mm范圍內(nèi)的水、銹、油等有害雜質(zhì)清除干凈。

3.2 裂紋的焊接修復(fù)

3.2.1 焊前預(yù)熱

焊接時(shí)須對(duì)焊接區(qū)域及相鄰150mm范圍內(nèi)的母材預(yù)熱至100℃～120℃之間；必須要讓預(yù)熱區(qū)域均勻升溫，可用紅外線測(cè)溫儀在加熱過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)控。完成預(yù)熱后，才能進(jìn)行焊接修復(fù)，并且要在焊接修復(fù)的過(guò)程中保持這溫度，施焊區(qū)域焊接修復(fù)完成后要進(jìn)行保溫，一般在2小時(shí)以上。

3.2.2 焊接材料

焊接材料采用焊芯直徑為3.2mm和4.0mm的G367M焊條，焊條在使用前需對(duì)焊條進(jìn)行烘干，且不能反復(fù)多次烘烤，烘干后保存在溫度為100℃～120℃的保溫筒中，使用時(shí)隨用隨取。

3.2.3 焊接方法

在焊接過(guò)程中為減少飛濺，保證電弧穩(wěn)定，應(yīng)使用旋轉(zhuǎn)直流電焊機(jī)，電源采用直接反轉(zhuǎn)法，即轉(zhuǎn)輪接負(fù)極，電焊條接正極。焊接時(shí)速度應(yīng)盡量快，焊層要盡可能地薄，且每一層不能超過(guò)3mm，以減少焊縫時(shí)產(chǎn)生的熱裂紋，這樣做可以有效地提高焊接質(zhì)量。焊接時(shí)的工藝規(guī)范如表2所示。

表2 焊接工藝規(guī)范

3.2.4 焊接過(guò)程

具體操作過(guò)程中，可采用多層多道焊、退步焊，使得焊接變形量能被控制到最小；為消除焊接應(yīng)力可采用層層錘擊的方法，錘頭應(yīng)采用不銹鋼材料，避免滲碳，并且要將錘頭磨成半徑為1.5mm～2.0mm的圓，錘擊點(diǎn)要快、輕、密集均勻。

要嚴(yán)格按照焊接的工藝規(guī)范進(jìn)行操作，保證焊接的質(zhì)量。在焊接操作中為了防止弧坑的產(chǎn)生，要保持短弧操作，不要跳弧和橫向擺動(dòng)，并且盡量減少焊縫內(nèi)部缺陷；對(duì)于穿透性裂紋，應(yīng)在其正面焊2～3道焊縫后再在其背面施焊；焊接時(shí)要注意將焊層間的焊渣清理干凈；焊蓋面焊道時(shí)，不能產(chǎn)生咬邊及焊縫表面缺陷。

3.2.5 焊接完成

在焊接完成后，為了使焊接區(qū)域緩慢冷卻，須采用石棉布覆蓋在補(bǔ)焊區(qū)域的表面，使其緩慢冷卻至室溫。在焊縫冷卻后，將焊縫表面打磨光滑，使焊縫與母材過(guò)渡區(qū)無(wú)咬邊和溝槽；對(duì)處理部位再次采用PT探傷檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)缺陷為止。

4 結(jié)論

水輪機(jī)是否能安全穩(wěn)定地運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來(lái)，由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的影響而對(duì)水電廠的安全運(yùn)行造成的影響時(shí)有發(fā)生，對(duì)水電行業(yè)來(lái)說(shuō)敲響了警鐘。我們應(yīng)該要規(guī)范制度、加強(qiáng)日常檢查，定期對(duì)應(yīng)力集中等易于產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行無(wú)損探傷檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題要及時(shí)處理，從而確保水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1]徐祖耀.馬氏體相變與馬氏體[M].北京：科學(xué)出版社，1980.

[2]陳伯鑫.金屬焊接性基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[3]陳占發(fā).混流式水輪機(jī)葉片裂紋原因分析及其處理工藝[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2003(12)：34-38.

[4]王者昌，陳懷寧.水輪機(jī)葉片裂紋的產(chǎn)生及對(duì)策[J].大電機(jī)技術(shù)，2003(6)：51-57.