簡析水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的形成與處理

何興民

五凌電力有限公司碗米坡水電廠，中國·湖南 湘西 416500

1 引言

水輪機在運行過程中，受到較強循環(huán)應(yīng)力和水推動力的作用，倘若外部應(yīng)力超出了水輪機自身材料的疲勞極限值，極易在轉(zhuǎn)輪存在缺陷的部位萌生疲勞裂紋，產(chǎn)生裂紋源。由于是當(dāng)水流狀態(tài)不佳的情況下，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片需要承受更大的應(yīng)力，加之隨著運行時間的延長，轉(zhuǎn)輪葉片剩余疲勞承受能力減弱，近乎達到疲勞限值，即所謂的臨界點，更容易出現(xiàn)缺陷。因此，分析葉片裂紋的形成原因，及早發(fā)現(xiàn)缺陷、處理缺陷，對避免裂紋源的產(chǎn)生，延長葉片運行年限意義重大。

2 裂紋產(chǎn)生的常見原因

2.1 葉片本身存在應(yīng)力集中

通過有限元計算分析可以得出，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片受到離心力與水壓力的影響后，外部主要應(yīng)力會集中于轉(zhuǎn)輪葉片周圍，根據(jù)第三強度理論，對應(yīng)力周圍葉片的應(yīng)力分布情況進行計算，應(yīng)力分布見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片周邊應(yīng)力分布及裂紋分布

如圖1所示，存在4 個高應(yīng)力區(qū)，第一應(yīng)力區(qū)為轉(zhuǎn)輪葉片進水邊上冠位置；第二應(yīng)力區(qū)為出水邊中心位置；第三應(yīng)力區(qū)為出水背面上冠位置；第四應(yīng)力區(qū)處于下環(huán)與葉片連接位置。這與實際轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋位置相吻合，符合裂紋常出現(xiàn)在凈應(yīng)力和動應(yīng)力較大部位的一般規(guī)律。

2.2 鑄造缺陷

大型水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片采用鑄造的加工工藝，制造過程中產(chǎn)生的鑄造氣孔和砂眼受到外應(yīng)力的影響，容易形成葉片裂紋。同時，大型水輪機的轉(zhuǎn)輪都是焊接結(jié)構(gòu)，但葉片的上冠與下環(huán)厚度具有一定差異，進行結(jié)構(gòu)焊接時容易發(fā)生應(yīng)力變形、疏松和冷熱裂等，對于焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，如果焊接工藝不當(dāng)，或制造過程中未嚴格遵循焊接工藝作業(yè)，在焊縫及熱影響區(qū)也將產(chǎn)生裂紋[1]。

2.3 運行過程中不同工況的影響

通常，當(dāng)水輪機處于不同運行環(huán)境下，葉輪葉片所承受的動應(yīng)力也存在差異，當(dāng)水流狀態(tài)不佳，會導(dǎo)致水輪機轉(zhuǎn)輪葉片受到的動應(yīng)力增大。因此，長期低負荷、超負荷或在震動區(qū)運行會大大加劇裂紋的產(chǎn)生。

3 常見無損探傷工藝

在機組檢修過程中都會對水輪機轉(zhuǎn)輪進行無損探傷，借以找出肉眼無法直接觀察到的缺陷，這對于及時發(fā)現(xiàn)缺陷，對葉片中的缺陷問題采取科學(xué)處理，避免安全事故的發(fā)生。嚴重的裂紋可通過肉眼或者借助部分光學(xué)儀器直接檢查發(fā)現(xiàn)，但較細小的裂紋和內(nèi)部缺陷卻無法通過以上辦法發(fā)現(xiàn)，因此必須進行無損探傷。當(dāng)前常見無損探傷工藝包括以下幾種：磁粉探傷工藝、滲透探傷工藝、超聲波探傷工藝、射線探傷工藝、金屬記憶探傷工藝以及渦流探傷工藝等[2]。

3.1 超聲波探傷

3.1.1 超聲波檢測的基礎(chǔ)知識

超聲波是由高頻振動和彈性介質(zhì)產(chǎn)生的高頻聲波，從物理學(xué)角度來說，可以通過聲速（c）、波長（λ）、頻率（f）、角頻率（ω）、周期（T）等幾個物理量來描述超聲波的特性。其中f 與T 受到超聲波的波源影響，c 與介質(zhì)對超聲波的波形產(chǎn)生影響，滿足如下關(guān)系：

超聲波波長很短，使其方向性很好，能夠充分展現(xiàn)出其他光波都具備的定向束射特征；穿透性強，對于大多數(shù)介質(zhì)來說都有較強的穿透能力；超聲波檢測時頻率遠超常規(guī)聲波頻率，所以能量同樣超過常規(guī)聲波的能力，當(dāng)超聲波傳播途徑中遇到界面阻擋，將使超聲發(fā)生反射或折射?；谶@一物理現(xiàn)象，才能很好地達到無損探傷的目的。

3.1.2 超聲波檢測的方法

利用超聲波進行檢測方法眾多，一般根據(jù)超聲波的波形、傳播原理、探討數(shù)量、接觸方式進行細化分類。在實際檢測中，超聲波檢測方法的設(shè)備與器材主要包含超聲檢測設(shè)備、試塊、檢測探頭、機械掃查設(shè)備以及耦合劑等。超聲波探傷方法對葉片內(nèi)部裂紋、未融合等面積型缺陷有著較高的檢出率，特別適宜較大厚度工件的檢驗。但是，該種方法對奧氏體不銹鋼與鑄鋼材料的檢驗效果并不理想，這些鋼材內(nèi)部由于顆粒較大，超聲波反射容易造成缺陷混反饋混淆，從而無法精準判斷缺陷位置與成都，因此超聲波檢測方法在上述材質(zhì)的水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂縫檢測中并不適用[3]。

3.2 射線探傷

射線檢測常用的方法是照相法，在實際運用中其原理是通過射線剛光彩路的使用，放在被透照試件的背面接受透過試件后的射線。當(dāng)射線穿過物體后，會逐漸發(fā)生衰減，而述案件程度和穿過物質(zhì)的厚度、材質(zhì)以及缺陷有著直接關(guān)系，因此落在膠片上產(chǎn)生的感光效果也存在差異，從而形成黑度不同的圖像。膠片曝光后在暗室對圖像進行處理，能夠呈現(xiàn)出物體結(jié)構(gòu)圖。再針對呈現(xiàn)出來的圖形中黑度均勻狀態(tài)，就能精準判斷出試件內(nèi)部的缺陷狀態(tài)、形狀、大小和位置。表現(xiàn)出較高的可靠性與靈敏度，并且重復(fù)性較好。但通過對轉(zhuǎn)輪葉片裂縫產(chǎn)生原因分析來看，裂縫容易發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)域，但這些集中區(qū)域透光難度較大，因此利用射線法進行水輪機轉(zhuǎn)輪葉片無損探傷的效果也會受到一定影響。

3.3 滲透探傷

滲透探傷法是一種操作簡單的工藝方法，利用滲透探傷法可以直觀呈現(xiàn)出缺陷情況，滲透探傷在實際運用中是基于物理學(xué)原理為基礎(chǔ)，遵循毛細現(xiàn)象和固件濕潤能力，將滲透液涂抹在被測工件中，通過濕潤作用與毛細現(xiàn)象，可以使?jié)B透液進入具有缺陷的位置中，隨后將工件不存在缺陷的位置沖洗干凈，突破吸附力強的顯像劑，將滲透裂縫中的滲透液吸附出來，從而通過顯像劑呈現(xiàn)出工件內(nèi)缺陷形狀和位置，以此來達到無損檢測的效果。水輪機轉(zhuǎn)輪葉片中廣泛引入了滲透探傷法，憑借其簡單易操作、經(jīng)濟、直觀的特點，在不同方向上都能得到良好的檢測效果。在對于不規(guī)則零部件探傷中，利用滲透探傷無法有效檢測表層以下的缺陷問題，因此這種方法在實際應(yīng)用中也存在一定局限性[4]。

3.4 磁粉探傷

磁粉探傷方法主要是結(jié)合工件受到磁化后，其中不連續(xù)部位受到磁力線的影響，出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，一些磁力線容易溢出材料表層，形成漏磁場，這時檢測人員將磁粉撒在檢測工件中，漏磁場會將磁粉吸附在一起，從而顯現(xiàn)出缺陷的位置與形象。因此，磁粉探傷法廣泛運用在磁鐵材料的缺陷檢查中，但是對于難以磁化的部位無法使用此方法。

綜上所述，在機組檢修期間，由于不同的探傷方法都表現(xiàn)出各自的優(yōu)缺點，理想狀態(tài)下，應(yīng)對水輪機轉(zhuǎn)輪進行如下檢查：

①首先徹底清洗水輪機轉(zhuǎn)輪葉片，對葉片進行外觀檢查，及時發(fā)現(xiàn)大型裂縫；

②對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片磁化位置采取磁粉探傷檢測法，對其他部位采用滲透探傷方法進行檢測；

③對于常見的應(yīng)力集中區(qū)利用超聲波探傷，可有效地發(fā)現(xiàn)潛藏在材質(zhì)內(nèi)部的缺陷，對于發(fā)現(xiàn)的缺陷應(yīng)及時進行處理。

4 裂紋處理工藝

4.1 鉆止延孔

通常情況下，存在裂縫的兩端內(nèi)應(yīng)力與水輪機轉(zhuǎn)輪葉片材料本身極限強度一致，受到應(yīng)力影響會持續(xù)延展，如果不做措施，裂紋會繼續(xù)向兩端延展，因此應(yīng)及時在裂縫兩端進行開孔，防止裂縫延續(xù)，孔徑為5～7 mm，孔深超過裂紋深度，以防裂紋繼續(xù)擴展，同樣的，如果在補焊過程中發(fā)現(xiàn)裂紋向外延伸，應(yīng)及時打孔止裂。

4.2 鏟坡口

利用風(fēng)鏟與碳弧氣刨鏟除裂紋，可有效保證焊接質(zhì)量，但是勞動量大、強度高、速度慢，結(jié)合裂縫深度，選擇適合的鏟頭；當(dāng)裂紋深度較大時，可使用碳弧氣刨進行反復(fù)吹割，過程操作簡單，效率高。吹割的過程中會產(chǎn)生大量熱量，在引起葉片受熱變形和裂紋擴展的同時，還會在坡口處形成滲碳層，因此實際操作中應(yīng)間斷進行作業(yè)，坡口還應(yīng)用砂輪進行磨削處理，以清除滲碳層。

坡口形成后仍需進行探傷，當(dāng)確定所有裂紋均已清除后方可進行下一步的補焊工作。

4.3 補焊工藝

葉片補焊一般采用同種材料熱補焊和奧氏體焊條實施冷焊。

4.3.1 冷焊工藝

在確定開坡口過程中已將裂紋完全清除后方可進行補焊。

①需對補焊區(qū)進行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度一般控制在100 ℃～150 ℃，最好使用履帶加熱器進行加熱，局部預(yù)熱也可采用氧—乙炔火焰在坡口處來回移動均勻加熱。

②用A307 焊條進行補焊，焊條使用前需在200 ℃～300 ℃的溫度下烘焙1～2 小時，當(dāng)水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的坡口發(fā)生對焊現(xiàn)象后，其中每層都需要利用焊接面敲打消除應(yīng)力，待完全冷卻后再焊下一層，最后一層不用錘擊，如果已經(jīng)裂穿，第一層也不要錘擊。焊接時采用小規(guī)范，要將電流控制在100～110 A，電壓控制在24～26 V，層間溫度150 ℃～200 ℃。

③作業(yè)完成后要用石棉將焊接處蓋好，使其緩慢冷卻。待冷卻后使用砂輪機打磨焊接位置，并使用無損探傷方法檢測裂紋和缺陷位置。

④檢查無缺陷后對補焊部位進行修磨，應(yīng)保證補焊部位的形狀符合原本水輪機轉(zhuǎn)輪葉片平整度和線型，以避免應(yīng)力集中，引起開裂；若補焊部位處于葉片上冠和下環(huán)間的過度R 角部位，需將R 角修整到符合設(shè)計要求。

4.3.2 熱焊工藝

①為有效避免焊接完裂紋后出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，改善焊縫金相組織，必須采用熱焊工藝，葉片預(yù)熱溫度在150 ℃～200 ℃。整體預(yù)熱需吊出機坑，搭設(shè)保溫棚后用電爐或電渦流加熱，局部可直接用氧—乙炔火焰加熱。

②采用與葉片相同材料的焊條或接近的焊條進行補焊，也可用氬弧焊堆焊。焊接時要求熔深盡量大，對于較長的焊縫需采用分段退步焊接，較大的裂紋采用鑲邊焊接的方式。焊接電流控制在130～140 A，電壓為24～26 V，層間溫度控制在150 ℃～200 ℃。為消除焊接應(yīng)力同時提升焊縫品質(zhì)，每完成一道焊縫應(yīng)徹底清理焊渣，用小風(fēng)鏟錘擊焊縫，直至焊波模糊不清以消除應(yīng)力，每完成一道都要重復(fù)以上工序。完成后應(yīng)仔細檢查是否存在氣孔，若有氣孔應(yīng)分析找出原因并將焊縫完全鏟掉重新補焊，焊波搭接寬度不小于焊波寬度的1/3。若汽蝕區(qū)出現(xiàn)裂紋，在完成裂紋補焊后還需在其表面增加抗汽蝕層。

③裂紋補焊完成后應(yīng)注意焊接區(qū)域的保溫，焊后緩冷到150 ℃～200 ℃，再加熱到600 ℃，保溫2 h 進行回火處理。應(yīng)使整個區(qū)域緩慢均勻冷卻，防止局部溫降過大產(chǎn)生新的冷裂紋。待完全冷卻后用上述探傷方法進行探傷，確定缺陷已完全消除后再使用砂輪機進行修磨處理，恢復(fù)轉(zhuǎn)輪葉片原來型線，并作拋光處理以保證表面光潔度達到原出廠標準。

兩種工藝相比較，冷焊工藝簡單，施工時長短，焊接過程中不發(fā)生相變，故無需進行提前預(yù)熱，且焊縫塑性好。但奧氏體焊條強度低于母材，同時由于沒有進行預(yù)熱，靠近焊縫附近的冷卻速度較大，將不可避免地在補焊近縫區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，影響補焊接頭處的力學(xué)性能。熱焊工藝由于采用同種材料或相近的材料，因此在焊前要進行預(yù)熱、焊后需進行熱處理，焊接工藝復(fù)雜，對施工人員的要求高，施工環(huán)境惡劣。但由于補焊的材料與母材一致，故完成補焊后的葉片在使用過程中發(fā)生問題的可能性極小。

5 結(jié)語

水輪機轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋嚴重影響著機組的安全穩(wěn)定運行，也直接影響水電廠的安全經(jīng)濟運行。因此在檢修過程中應(yīng)對應(yīng)力集中區(qū)域及裂紋易發(fā)區(qū)進行重點檢查，采用無損探傷的方式，發(fā)現(xiàn)缺陷應(yīng)及時處理；并在平時運行中避開不利工況，將危險控制在萌芽狀態(tài)，保證機組的安全經(jīng)濟運行。