轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析，檢測(cè)及處理

王　磊

摘要：轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)核心部件，轉(zhuǎn)輪的葉片出現(xiàn)裂紋會(huì)嚴(yán)重威脅水電廠的安全運(yùn)行。通過對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行有限元計(jì)算分析，得出應(yīng)力過于集中通常是葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因，此外，葉片也存在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行方面的問題，為此，介紹了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋無損檢測(cè)的常用方法和一般工藝。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪葉片；應(yīng)力；有限元；裂紋；無損檢測(cè)

引言

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的頻繁產(chǎn)生，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行構(gòu)成很大威脅，也給電廠帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失，因此，分析裂紋產(chǎn)生原因，并對(duì)易產(chǎn)生裂紋部位進(jìn)行無損探傷檢查，對(duì)及時(shí)處理缺陷，消除事故隱患是十分必要的。

1 轉(zhuǎn)輪裂紋及現(xiàn)象

小浪底某臺(tái)機(jī)組小修期間，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的13個(gè)葉片出水邊接近上冠處有11個(gè)葉片出現(xiàn)裂紋(后經(jīng)著色探傷，確定另兩個(gè)葉片也有輕微裂紋)，裂紋長(zhǎng)度 100～400mm不等，大部分為貫穿(端面)型裂紋，所有裂紋形狀相似，起始點(diǎn)在葉片負(fù)壓面與出水端面交線上，距上冠約50mm，裂紋起始端與葉片出水邊垂直，后端以不規(guī)則拋物線形向葉片中心延伸，其中有一個(gè)葉片同時(shí)出現(xiàn)沿焊縫方向的裂紋。近期景洪1號(hào)機(jī)組也發(fā)現(xiàn)出水邊靠近上冠部位以及靠近下環(huán)部位的裂紋，而且最近投產(chǎn)的大水電機(jī)組經(jīng)常在轉(zhuǎn)輪這些位置出現(xiàn)裂紋。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

2.1 應(yīng)力集中

采用有限元計(jì)算分析得出，轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上， 按第三強(qiáng)度理論計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊分布。轉(zhuǎn)輪葉片存在四個(gè)高應(yīng)力區(qū)，他們的位置在葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處；葉片出水邊正面的中部；葉片出水邊背面靠近上冠處；葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。

2.2鑄造缺陷及焊接缺陷

葉片原材料經(jīng)加熱模壓，其中鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應(yīng)力的作用下可能會(huì)成為裂紋源，造成裂紋的產(chǎn)生。由于轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的厚度相差大，在冷卻過程中易產(chǎn)生縮孔、疏松等。轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)與葉片均為馬氏體不銹鋼材料，焊條則是奧氏體不銹鋼材料。國內(nèi)不少專家認(rèn)為，這是異種鋼焊接，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力很大。目前都采取焊后熱處理消除應(yīng)力，但難免應(yīng)力消除不徹底。鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪，若焊接工藝不當(dāng)或焊工沒有按照焊接工藝的要求進(jìn)行焊接，在焊縫及熱影響區(qū)也會(huì)出現(xiàn)裂紋。

2.3 原設(shè)計(jì)問題

轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)間的過渡R角設(shè)計(jì)較小，引起應(yīng)力集中。

2.4 運(yùn)行上的原因

長(zhǎng)期低負(fù)荷、超負(fù)荷或在震動(dòng)區(qū)運(yùn)行會(huì)使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋或裂紋情況加劇以及引水系統(tǒng)水擊振動(dòng)形成共振等原因。

3 裂紋無損檢測(cè)

常用的無損檢測(cè)方法有以下幾種：磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、射線檢測(cè)等。裂紋易于產(chǎn)生的應(yīng)力集中部位，如葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環(huán)連接區(qū)等部位，由于透照布置比較困難，不能用射線透照法進(jìn)行無損探傷。根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片表面比較粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚度變化大的特點(diǎn)，一般應(yīng)采用滲透、磁粉、超聲波的方法進(jìn)行無損檢測(cè)。

3.1 超聲波檢測(cè)

超聲波探傷方法對(duì)裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢出率較高，適宜檢驗(yàn)較大厚度的工件，但是對(duì)于鑄鋼、奧氏體不銹鋼材，由于粗大晶粒的晶界會(huì)反射聲波，在屏幕上出現(xiàn)大量的“草狀波”，容易與缺陷波混淆，影響檢測(cè)可靠性，限制了超聲波探傷方法在鑄鋼制水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上無損檢測(cè)的應(yīng)用。探測(cè)頻率越高，雜波就越顯著，為了減小晶界反射波的影響，我們采用了低頻探頭(2MHz)對(duì)鑄鋼轉(zhuǎn)輪進(jìn)行超聲波探傷，發(fā)現(xiàn)反射信號(hào)以后再用高頻探頭(4MHz)進(jìn)行定量，實(shí)踐證明這是可行的。

3.2 滲透探傷

滲透探傷方法簡(jiǎn)單易行，顯示直觀，適合于大型和不規(guī)則工件的檢查和現(xiàn)場(chǎng)檢修檢查。但是，滲透探傷方法是利用滲透能力強(qiáng)的彩色滲透液滲入到裂紋等缺陷的縫隙中，再利用吸附能力強(qiáng)的白色顯像劑，將滲透液吸出來以顯示缺陷的，因此，只能檢查表面開口的缺陷。

3.3 磁粉探傷

磁粉探傷方法是利用工件磁化后，在材料中的不連續(xù)部位(包括缺陷造成的不連續(xù)性和結(jié)構(gòu)、形狀、材質(zhì)等原因造成的不連續(xù)性)，磁力線會(huì)發(fā)生畸變，部分磁力線有可能逸出材料表面形成漏磁場(chǎng)，這時(shí)在工件上撒上磁粉，漏磁場(chǎng)就會(huì)吸附磁粉，形成與缺陷形狀相近的磁粉堆積，從而顯示缺陷。因此，磁粉探傷適用于鐵磁材料探傷，可以檢出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于難以磁化而無法探傷。

綜上所述，為了保證水電機(jī)組的安全運(yùn)行，考慮到各種探傷的優(yōu)點(diǎn)和局限性，水輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)進(jìn)行如下檢驗(yàn)：對(duì)葉片清理后進(jìn)行宏觀檢查；對(duì)可以磁化的部位進(jìn)行磁粉探傷，不能磁化的部位進(jìn)行滲透探傷，近來金屬磁記憶和渦流探傷技術(shù)日漸成熟，也可以用來進(jìn)行表面探傷；對(duì)葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環(huán)連接區(qū)等應(yīng)力集中部位和表面發(fā)現(xiàn)缺陷的部位進(jìn)行超聲波探傷。檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的裂紋等危險(xiǎn)性缺陷應(yīng)進(jìn)行處理。

4 裂紋處理

4.1 阻止裂紋延伸

通常裂紋的兩端尾部?jī)?nèi)應(yīng)力接近材料的極限強(qiáng)度，在外力或熱應(yīng)力的影響下還會(huì)繼續(xù)延伸。因此，必須在裂紋兩端打止裂孔。

4.2 裂紋清理及開坡口

裂紋鏟除常用兩種方法：風(fēng)鏟和炭弧氣刨。

坡口的形式應(yīng)遵守焊接工藝的一般要求，主要根據(jù)裂紋情況、部位和鏟除及施焊方便而定。裂紋清除后應(yīng)進(jìn)行著色探傷以確認(rèn)裂紋是否全部清除干凈。

4.3 補(bǔ)焊工藝

葉片補(bǔ)焊可采用兩種方法，一是同種材料熱焊，另一種是奧氏體焊條進(jìn)行冷焊。

焊后的打磨處理并進(jìn)行無損探傷檢查。最后出水邊補(bǔ)焊三角體，降低該點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)力，修整出水邊，消除由卡門渦引起的共振。

結(jié)論及建議

近年來，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片裂紋頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要在機(jī)組小修和大修時(shí)對(duì)應(yīng)力集中等易于產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行無損探傷檢查，對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷及時(shí)正確處理，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

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