魯?shù)乩娬巨D輪裂紋原因分析及處理方法研究

范孝奎周若愚

(中國水利水電第三工程局有限公司，陜西 西安710032)

【摘要】水電站機組轉輪葉片裂紋嚴重影響電站的安全運行。魯?shù)乩娬?號機組C級檢修期間，發(fā)現(xiàn)了轉輪葉片裂紋問題。本文從轉輪制造、轉輪材質、工程設計、機組性能及運行狀態(tài)方面分析了轉輪葉片裂紋產生的原因，介紹了裂紋處理方案。

【關鍵詞】魯?shù)乩娬?；機組；轉輪；裂紋；處理方案

中圖分類號：TV734.1

Analysis on reasons of cracks on Ludila Hydropower Station

runner and research on solutions

FAN Xiaokui, ZHOU Ruoyu

(SinohydroBureau3Co.,Ltd.,Xi’an710032,China)

Abstract:Cracks on hydropower station unit runner blade has serious seriously affect safe operation of power plant. The crack problems of runner blade are discovered during level C overhaul of Ludila Hydropower Station No.3 Unit. In the paper, the reasons of cracks on runner blade are analyzed from the aspects of runner manufacturing, runner material, engineering design, unit performance and operation state, and crack solutions are introduced.

Key words: Ludila Hydropower Station; unit; runner; crack; solutions

魯?shù)乩娬景惭b6臺套額定轉速100r/min、額定功率360MW的水輪發(fā)電機。水輪機轉輪外形尺寸為φ7100×3978mm，總重205t。

轉輪葉片、上冠、下環(huán)全部采用VOD精煉鑄造。轉輪葉片數(shù)為13片，葉片用五軸數(shù)控機床加工。上冠、下環(huán)均為鑄造，上冠設有與水輪機軸連接的法蘭，所有過流表面都為精加工。轉輪全部采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的ZG04Cr13Ni5Mo材料制造。轉輪在現(xiàn)場轉輪加工廠房內由水輪機制造商組焊加工完成并做靜平衡試驗后，整體運至廠內安裝間。

1裂紋情況

魯?shù)乩娬?號機組于2013年7月21日投入商業(yè)運行，2014年11月14日開始3號機組C級檢修，在對水輪機轉輪進行UT+PT探傷檢查時發(fā)現(xiàn)，有4個葉片存在貫穿性裂紋5條，其中3條裂紋位于轉輪葉片上冠角焊縫處，另2條裂紋位于轉輪葉片下環(huán)角焊縫處(見圖1～圖7)，轉輪裂紋葉片號及長度見下表。

3號機組轉輪葉片裂紋情況表

圖1　4號葉片上冠角焊縫裂紋

圖2　4號葉片下環(huán)角焊縫裂紋

圖3　5號葉片上冠角焊縫裂紋

圖4　7號葉片下環(huán)角焊縫裂紋

圖5　12號葉片上冠角焊縫裂紋

圖6　上冠角焊縫汽蝕孔洞

圖7　葉片基體汽蝕孔洞

2裂紋及孔洞產生原因分析

2.1轉輪制造原因

a.鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應力作用下可能會成為裂紋源，造成裂紋的產生。鑄焊結構的轉輪，若焊接工藝不當或焊工沒有按照焊接工藝的要求焊接，焊接或熱處理殘余應力存在，在焊縫及熱影響區(qū)也會出現(xiàn)裂紋。

b.轉輪葉片與上冠、下環(huán)連接處根部R角偏小，設計為R14，引起應力集中，導致轉輪葉片的疲勞強度不足。

2.2轉輪材質原因

轉輪全部采用抗空蝕、抗磨蝕和具有良好焊接性能的ZG04Cr13Ni5Mo材料制造，魯?shù)乩娬?號機組轉輪葉片出現(xiàn)的裂紋及氣孔，分析認為葉片可能在鑄造時局部產生了偏析。由于葉片的局部材質產生了偏析，也就是液態(tài)合金在鑄型中凝固以后，鑄件斷面上各個部分及晶粒與晶界之間存在化學成分的不均勻現(xiàn)象，降低了材料的延展性能，如偏析部位在葉片出水邊頭部與上冠、下環(huán)焊縫連接過渡位置，則裂紋就易于發(fā)生。

2.3工程設計原因

混流式水輪機一般在30%～60%額定出力時容易在尾水管內產生水流渦帶，引起空腔汽蝕和機組振動。魯?shù)乩娬舅啺l(fā)電機組設計有大軸中心孔補氣裝置，其作用就是在機組出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時，補入空氣，增加水的彈性，改善機組的運行條件。同時，由于補氣破壞了真空，還能防止機組突然甩負荷導水機構緊急關閉時，由于尾水管內產生負水擊，下游尾水反沖所產生的強大沖擊力或抬機現(xiàn)象。

魯?shù)乩娬舅啺l(fā)電機沒有設計強迫補氣系統(tǒng)，由于水輪機吸出高度H0的負值較大，尾水管內壓力較高，因此，在運行過程中，這也是導致轉輪葉片出現(xiàn)汽蝕孔洞的原因之一。

2.4機組性能及運行狀態(tài)原因

由于葉片裂紋均在葉片上冠角、下環(huán)角焊縫處，可能是機組長期在低負荷或震動區(qū)域運行，導致轉輪葉片在交變應力作用下，產生裂紋或使裂紋加劇。

3轉輪裂紋處理方案

3.1裂紋處理準備

a.焊接設備。直流電焊機。

b.預熱設備及其他設備?；鹧婕訜嵩O備(氧氣、乙炔、烘槍)、測溫槍、焊條烘箱、焊條保溫筒。

c.鏟磨工具。磨光機、電磨、風鏟(用于清理焊渣及錘擊)。

d.焊接材料。AWS E309Lφ3.2或φ4.0不銹鋼電焊條、EL309Lφ1.2不銹鋼焊絲。

e.探傷設備。UT和PT探傷設備。

f.照明設施、工作架及相關的氣、電等。手把燈、強光手電、活動腳手架、檢修用氣。

3.2裂紋處理方案

a.根據(jù)UT和PT探傷檢查結果，用記號筆標記出葉片裂紋的部位和長度。

b.檢查葉片開裂處是否存在錯口，如存在，應用楔鐵將葉片錯口楔平，搭焊牢固。

c.此次裂紋處理采用砂輪打磨方式清理轉輪葉片正面裂紋，清理深度約為2/3葉片厚度，并預制坡口(見圖8)；如果采用碳弧氣刨清理缺陷時，清理前用火焰預熱裂紋及附近50mm范圍，溫度應不小于80℃，裂紋清理時應從距開裂處約20mm的地方反向進行，以避免裂紋擴展。

圖8　預制坡口

d.打磨清理部位，直至見到金屬光澤，然后按ASME標準對清理部位進行PT探傷，確認裂紋完全清除。

e.將焊接區(qū)域及附近200mm范圍內的油污、水分等雜質清理干凈。

f.焊接區(qū)域及附近50mm范圍內預熱100℃后(預熱時用測溫槍監(jiān)控預熱溫度)，采用手工焊(E309Lφ3.2不銹鋼焊條)進行多層窄道焊。焊前焊條按焊條使用說明書進行烘干，放入保溫筒，隨用隨取。除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層用風鏟進行錘擊，以釋放應力(見圖9)，焊縫表面高于母材原表面1～3mm，便于焊后打磨。

圖9　釋放應力

g.用砂輪打磨的方法清理葉片背面裂紋(見圖10)。

圖10　葉片背面裂紋清理

h.按上述d、e、f步驟進行探傷、清理、焊接(見圖11)。

圖11　探傷、清理、焊接

i.焊接完成后立即用阻燃布覆蓋焊接區(qū)域，使其緩慢冷卻。

j.用磨光機粗磨修復部位。

k.對修復后葉片焊縫按ASME標準進行UT和PT探傷檢查，檢查焊縫有無裂紋、夾渣和氣孔。

l.探傷合格后，精磨修復部位，將葉片焊接部位按原型線磨平，轉輪葉片翼型線平滑流暢，符合葉片型線要求。

4裂紋處理結果

經過上述處理，結果表明：上述轉輪葉片裂紋處理是成功的，有效地消除了機組運行可能產生的安全隱患，達到了預期的檢修效果。

5結語

水輪機轉輪裂紋問題直接影響水輪機的正常運行，近年來，水輪機轉輪葉片裂紋現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，嚴重影響了水電站的正常安全運行，有必要對裂紋產生的原因進行研究分析，采用合理科學的手段處理解決，消除機組運行可能產生的安全隱患，保證機組的安全經濟運行。

參考文獻

[1]劉文清.最新水利水電機電安裝工程施工工藝與技術標準實用手冊[M].合肥：安徽文化音像出版社,2006.

[2]羅利均,李書麗.水輪機轉輪裂紋產生原因分析及處理[J].水電站機電技術，2013(8).