軸流轉槳式水輪機槳葉樞軸裂紋的處理

祁康全，張廣華，顧平良

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

軸流轉槳式水輪機槳葉樞軸裂紋的處理

祁康全，張廣華，顧平良

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

通過對石塘水電站1號水輪機轉輪3號槳葉樞軸的裂紋分析，確定了裂紋清除、焊前預熱溫度、焊接工藝參數及焊后熱處理溫度、保溫時間等工藝方案，并嚴格控制各階段工藝過程。成功地完成了槳葉樞軸裂紋缺陷處理，為處理類似設備缺陷積累了經驗。

軸流轉槳；槳葉樞軸；裂紋處理

1 設備概況

石塘水電站位于浙江省云和縣，系甌江流域大溪支流的第二級電站。電站總裝機3臺，單機容量為2.6萬kW，年發(fā)電量1.89億kW·h，以發(fā)電為主兼顧航運，電站并入電網擔負系統(tǒng)部份峰荷，并以航運流量約50 m3／s作為基荷運行。

石塘電站水輪機為軸流轉槳式水輪機，單個轉輪共有5張葉片，設備由杭州發(fā)電設備廠生產。投產時間為1990年，水輪機型號為ZZ500-LH-420，出力為2.68萬kW·h，設計水頭為22.2 m，設計流量為139 m3/s，額定轉速為150r/min，吸出高度HS為5.80m。轉輪槳葉數為5張，最大槳葉轉角為30°，槳葉材料為ZG0Cr13Ni4CuMo。葉片相關尺寸見圖1.

圖1槳葉結構示意

2 槳葉樞軸裂紋情況

在石塘電站1號機組進行擴大性大修過程中，檢查發(fā)現3號葉片進行外觀檢查時，發(fā)現樞軸中段存在裂紋，出現在葉片的正面方位。隨后立即進行無損探傷時發(fā)現，3號槳葉樞軸拐臂段（φ330 mm段）存在長度為100 mm，平均深度為27 mm的裂紋，其走向與樞軸中心線呈55°，見圖2。經現場在3號槳葉樞軸裂紋處鉆孔，發(fā)現裂紋深度超過20 mm，與無損探傷結果吻合。按照CCH70-3《水力機械鑄鋼件檢驗規(guī)范》和GB7233《鑄鋼件超聲探傷及質量評級方法》中超聲波探傷技術條件考核，此類缺陷的鑄鋼件是不能接受的，認定裂紋缺陷嚴重。

圖2槳葉樞軸PT照片

由于槳葉樞軸裂紋深度較深和較長，又在φ330段分半鍵邊，屬于受剪切力影響區(qū)，同時咨詢相關專家，認為樞軸裂紋必須去除干凈并處理合格。從裂紋發(fā)展情況分析，簡單修復影響設備運行，設備何時損壞難以確定，因此決定外送專業(yè)生產廠家處理。

3 槳葉樞軸裂紋的實際深度

槳葉送廠家以后，處理單位為探明的裂紋長度與深度制訂了樞軸裂紋的處理方案，并按方案進一步處理。

1）首先對樞軸拐臂處進行PT探傷檢查，找出裂紋位置和深度；

2）通過上鏜床或磨光機手工打磨等金加工方式，清除裂紋后再次進行探傷檢查，沒有裂紋后再進入下一道工序。

在處理過程中，當用砂輪機開出坡口至25 mm深時，PT（著色劑探傷，以下同）檢查，發(fā)現裂紋還有，結合UT（超聲波探傷，以下同）檢查，檢查結論為裂紋深度65 mm，且長度較長及走向復雜，確定裂紋較深且樞軸內部存在較多缺陷。

繼續(xù)用金加工工藝去除裂紋。去除裂紋所用車床為數顯落地鏜床，用鏜床每挖去5 mm深度，立即用PT檢查裂紋是否存在。第三天時發(fā)現裂紋深度已超過80 mm，超出預計65 mm的深度；繼續(xù)去除裂紋，當PT檢查無裂紋時，φ330段裂紋深度為150 mm。最后裂紋尺寸為最深：150 mm，沿圓周向長210 mm，沿軸向長182 mm。

4 槳葉裂紋成因分析

轉輪槳葉系澆鑄部件，單張槳葉重達1 982 kg，形狀較為復雜，樞軸段的結構與功能基本如下：直徑220 mm段及直徑390 mm段為限位軸承段，裂紋存在的主要區(qū)域為槳葉的操作區(qū)域，與操作機構的拐臂配裝，運行時根據負荷情況調整葉片開度，直徑630段為葉片動密封段。出現裂紋部位的槳葉操作區(qū)域，是結構應力集中區(qū)域，承受機組運行時葉片離心力所形成的拉應力、葉片重力及軸向水推力產生彎應力及葉片操作及葉片沿周向不均勻受力產生的扭應力，由于工況不同，受水力不平衡及汽蝕情況的影響，該區(qū)域承受交變應力。

在水市場中有四類主體一個平臺：四類主體是水權需求者、水權持有者、政府和社會，相應關系是橫向反映市場主體供求關系，即水權需求者與持有者的關系；縱向反映政府與市場和社會的關系。一個平臺是水市場，是處于系統(tǒng)的核心，作為中介，為水權需求者和持有者提供交易平臺。

由于樞軸的結構尺寸較大，鑄造時，中心部分結構疏松，晶粒粗大，強度低，極易產生鑄造缺陷。查閱該設備出廠記錄及已往的檢修記錄，該處沒有存在裂紋的記錄。因此，可以判定該裂紋為鑄造時產生的微裂紋或其他缺陷，在長期受復雜外力的作用下擴展延伸至表面的。

5 補焊

采用手工電弧焊，采取焊前預熱，焊后退火的消除焊接應力措施。

（1）焊接前測量及焊接區(qū)域修形。焊接前對葉片翼形進行測量，以備核驗在焊接及加熱過程中的變形量；由于焊接深度大，并且金加工后存在焊接死角，有必要對焊接區(qū)域進行修形，有利于現場焊接及保證焊接質量。

（2）預熱。對葉片除堆焊區(qū)域外都用石棉布、石棉紙包裹，施工采用加熱保溫方式，采用電爐預熱，電爐加熱時升溫速度不大于60℃/h。升溫至200℃后并保持不小于1 h，出爐進行焊接（見圖3）。

圖3槳葉預熱溫度變化曲線圖

（3）焊接。采用手工電弧焊，調整焊接電流在80～120 A之間，槳葉本身材質為馬氏體，為了保證補焊質量，而采用了熔合性較好的奧氏體焊條；焊接過程中，控制道寬7～8 mm，層間厚度2～3 mm。采用船形焊接的方法進行焊接，焊接的方向為橫向焊接，避免焊縫的縱向收縮引起軸頭的變形，控制工件溫度在100～200℃之間，控制層間溫度200℃；在焊接區(qū)附近覆蓋防飛渣涂料。焊接過程中，在樞軸軸頭安裝百分表監(jiān)測變形量，隨時監(jiān)視百分表的讀數，控制軸頭的變形量不大于0.2 mm，如變形量過大則中斷焊接，待百分表的讀數小于0.1 mm后再行焊接；每焊完一層，用風鏟和鋼刷進行焊道清理，清理后用錘擊的方法消除焊接應力。焊接中斷及焊接過程中工件溫度小于100℃，葉片整體進爐加熱，保溫的同時對焊縫進行了200℃的去氫處理。

（4）退火。為了較徹底地消除槳葉在補焊中產生的焊接應力，補焊完畢后，將槳葉用石棉材料包裹，放入回火爐內進行了退火處理。整個葉片回爐加熱至300℃，電爐加熱時升溫速度不大于60℃/h，保溫不小于8 h，然后隨爐冷卻至100℃后出爐自然冷卻至室溫。退火過程溫度控制嚴格按照退火工藝曲線進行，見圖4。

6 精加工

圖4槳葉焊后熱處理溫度變化曲線圖

（1）修形。在葉片端焊中心孔塊，并劃線。槳葉上鏜床加工葉片端及樞端中心孔。以直徑630 mm端面將葉片找平后，以630 mm圓周面找正樞端中心孔，直徑390 mm圓周面作為校核面。葉片端焊中心孔以劃線鉆出，以車床實際讀數調出中心。調整后各樞軸檔尺寸如表1所示。在此尺寸下，直徑220 mm段實際變形量為1.25 mm，實際加工量為1.5 mm。精車直徑220 mm段后，直徑390 mm、直徑330 mm圓周面及直徑390 mm端面加工至離表面0.20 mm左右（不破壞本體為原則），最后用砂輪機磨出各表面。

（2）修后探傷。金加工后，再次對樞軸焊接面、熱影響區(qū)、擴大影響區(qū)及槳葉根部超聲波探傷及表面探傷檢查，補焊部分合格。在直徑330 mm與直徑390 mm過渡段（熱影響區(qū)）存在較淺的局部裂紋，隨之進行去除裂紋并修補處理，再次探傷檢查均合格。在這一缺陷區(qū)域的其他區(qū)域，仍存在細小缺陷，但未達到評定標準。

（3）外形尺寸檢查。重新測量葉片的翼形尺寸，變形量小于標準值，對樞軸各工作面進行復核，各實測尺寸數據見表1：

表1樞軸各工作面實測尺寸

7 修后檢驗和專家意見

金加工后，焊接面、熱影響區(qū)、擴大影響區(qū)及槳葉根部PT、UT檢查。UT檢查，補焊部分合格。φ330～φ390過渡段存在局部裂紋，隨之進行去除裂紋并修補處理，處理后經PT檢查合格。

樞軸檢修結束后，對本次的樞軸處理影響進行了會商與討論，形成了一致意見：

（1）對鑄鋼件，裂紋深度超過軸徑1/3，屬報廢品，本次修復屬挽救性處理，因此補焊后，部件實際材質難于保證原材質本身所提供的技術保證；

（2）由于槳葉樞軸本身的材質為ZG00Cr13Ni4 CuMo，材料中含銅，補焊過程影響材料性能（銅元素晶界偏析）；槳葉本身材質為馬氏體，為了保證補焊質量，而采用奧氏體焊條，補焊體本身材質明確，質量可靠，但由于補焊接面積過大、深度過深，因此熱影響區(qū)的材質變化較大，不利于設備的長期穩(wěn)定運行；

（3）槳葉修復過程中產生的殘余應力無法在短時間內重新達到平衡，影響設備長期穩(wěn)定運行。

綜合各方意見，槳葉可以投入運行，保守估計能使用1～2年，設備實際使用壽命難以確定，設備運行時間越長風險和不確定性越大，且對該處缺陷的發(fā)展情況無法檢查和監(jiān)測，應及早做好相關更換槳葉準備。

8 修后應用情況

槳葉安裝到位后，與槳葉拐臂配裝合格，轉動靈活，與樞軸銅套（滑動軸承）配裝合格，與“λ”形葉片密封配裝合格，安裝后做滲漏試驗密封圈處無滲漏，說明整個處理過程中槳葉樞軸變形控制在設計范圍內。機組大修后，經過3年時間的運行，情況正常，在隨后的機組A級檢修中，解體檢查該葉片，沒有發(fā)現裂紋。

9 結論

軸流轉槳式水輪機的槳葉是水輪機的核心部件，樞軸存在的裂紋其深度達直徑的一半，對現在的加工制造水平認為屬于報廢品，無修復必要，因此在處理時也找不到相似的處理經驗，本次槳葉樞軸裂紋的成功修復對相似的水輪機缺陷處理具有一定的參考與借鑒意義。

槳葉裂紋處理首先是應慎重，盡量借用無損檢測手段確定深度與裂紋的走向；其次，去除裂紋應用金加工等冷處理手段，如本次裂紋如為了加快速度而用碳弧氣刨，則裂紋可能貫穿樞軸；第三，對焊接材料選用奧氏體焊條，同時在焊接時做好保溫和消氫，適當控制變形是一個比較合適的方案。

[1]李承福，岳德山，張宏濤.電加熱器預熱在水輪機轉輪焊接中的應用[J].大型鑄鍛件，2009（6）：23-24.

[2]劉敏.水輪機轉輪裂紋的焊接修復[J].科技傳播，2012（11）：182-183.

TK733+.5

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1672-5387（2017）11-0034-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.013

2017-08-30

祁康全（1968-），男，工程師，從事水電廠水動檢修技術管理工作。