水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片缺陷的檢測(cè)與處理

駱國(guó)防，賴江波，鄧亞新

（1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200437；2.新安江水力發(fā)電廠，浙江 311600）

1 轉(zhuǎn)輪葉片存在嚴(yán)重裂紋

新安江水力發(fā)電廠是我國(guó)自己設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自己施工建設(shè)的第一座大型水力發(fā)電站。水電站流域面積為11 850km2，正常高水位下庫(kù)容為178.4億m3。廠內(nèi)裝有9臺(tái)混流式水電機(jī)組，原總裝機(jī)容量為662.5MW，增容后總裝機(jī)容量為810MW，短時(shí)出力可達(dá)855MW，多年平均發(fā)電量為18.6億kWh。主體工程于1957年4月開工，1960年4月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，1977年10月最后1臺(tái)機(jī)組投運(yùn)。目前承擔(dān)華東電網(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰和事故備用任務(wù)。

9號(hào)水輪機(jī)改造前采用PO662轉(zhuǎn)輪，葉片為13個(gè)，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑為4.10m，高為2.23m，是我國(guó)20世紀(jì)50年代從前蘇聯(lián)引進(jìn)的，在1999年下半年A級(jí)檢修時(shí)進(jìn)行了改造。改造后的新轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，由不銹鋼葉片和不銹鋼鑄造上冠、下環(huán)組焊而成。葉片采用鋼板模壓，材料為抗氣蝕、抗腐蝕、抗磨損和焊接性能良好的X3Cr13Ni4，由美國(guó)福伊特水電約克工廠制造并供貨。上冠、下環(huán)材料為抗氣蝕、抗腐蝕、抗磨損和焊接性能良好G－X4Cr13Ni4不銹鋼鑄件。

2009年8月17日，俄羅斯薩揚(yáng)一舒申斯克水電站發(fā)生特大安全事故，引起新安江水力發(fā)電廠的關(guān)注。根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)安全生產(chǎn)2010年2號(hào)文：“結(jié)合設(shè)備消缺和檢修對(duì)易產(chǎn)生疲勞損傷的重要設(shè)備部件（如水輪機(jī)頂蓋緊固螺栓等）進(jìn)行無(wú)損探傷。對(duì)已存在損傷的設(shè)備部件要加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，對(duì)已老化不能滿足安全生產(chǎn)要求的設(shè)備部件要及時(shí)進(jìn)行更換”這一精神，于2010年下半年對(duì)水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺栓、管道等重要設(shè)備和部件進(jìn)行了金屬監(jiān)督檢測(cè)。

在檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪第6號(hào)葉片和第11號(hào)葉片存在嚴(yán)重裂紋，第11號(hào)葉片背面上部出水邊斷面裂紋已經(jīng)貫穿整個(gè)橫斷面，而且內(nèi)部損傷比較嚴(yán)重。

2 檢測(cè)情況

1）依據(jù)JB／T 4730.5—2005《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)第5部分：滲透檢測(cè)》Ⅰ級(jí)，合格。

2）檢測(cè)9號(hào)機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑為4.1m，高為2.23m，材料為G－X4Cr13Ni4，裂縫為26條，環(huán)境溫度為20℃，使用德國(guó)Pfinder滲透劑進(jìn)行噴涂，滲透15min，檢測(cè)靈敏度為3級(jí)（高靈敏度）。

3）2010年11月24日滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)9號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪第6號(hào)和第11號(hào)葉片均有裂紋，如圖1和圖2所示。

3 裂縫原因分析

1）原因分析 通過(guò)查閱9號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在1999年下半年改造時(shí)的相關(guān)檢測(cè)資料及無(wú)損檢測(cè)報(bào)告，得知該葉片在焊后24h以后進(jìn)行過(guò)滲透檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果正常，也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，初步判斷該裂紋是在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的。

這次檢測(cè)出9號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片存在嚴(yán)重裂縫，推斷與葉片材料G－X4Cr13Ni4有關(guān)。首先，它是一種馬氏體不銹鋼組織，焊接時(shí)在熱影響區(qū)容易出現(xiàn)粗大晶粒，產(chǎn)生淬硬組織，其塑性、韌性比較差，容易產(chǎn)生裂紋；其次，水輪機(jī)發(fā)電時(shí)長(zhǎng)期受到周期性水的沖擊作用，很容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

圖1 6號(hào)葉片背部出水邊上端裂紋長(zhǎng)35mm

4 裂紋處理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工藝，在9號(hào)機(jī)11號(hào)葉片背部出水邊上端噴上顯像劑后，立即出現(xiàn)大面積的缺陷而且迅速擴(kuò)展，外表呈現(xiàn)開口小，內(nèi)部開口大，說(shuō)明有一大空腔，里面滲入大量滲透劑。此類缺陷嚴(yán)重影響設(shè)備和機(jī)組的安全運(yùn)行，必須立即進(jìn)行消缺處理。消除裂縫工藝分為5步。

1）鉆止延孔 在裂紋的兩端鉆止延孔，孔徑為5～7mm，孔深超過(guò)裂紋深度，以防裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。

2）鏟坡口 用電弧氣刨沿裂紋長(zhǎng)度鏟出坡口，坡口的形式視裂紋的位置、深度而定。對(duì)未穿透裂紋應(yīng)鏟到看不見裂紋為止，然后用薄砂輪片或扁鏟將坡口表面修整或磨去表面滲碳層。經(jīng)檢查確無(wú)裂紋后，才可進(jìn)行堆焊處理。

3）預(yù)熱 為減少裂紋焊接后應(yīng)力集中并改善焊縫的金相組織，焊接前應(yīng)作整體或局部預(yù)熱，整體預(yù)熱須吊出機(jī)坑，搭設(shè)保溫棚，用電爐或渦流法加熱。局部預(yù)熱則用氧—乙炔火焰在葉片表面與裂紋表面的背面沿裂紋方向來(lái)回移動(dòng)均勻加熱。

4）焊接 使用不銹鋼焊條進(jìn)行焊接，也可用氬弧堆焊。焊接時(shí)力求熔深大，長(zhǎng)焊縫應(yīng)采用分段退步焊接，大的裂紋應(yīng)采用鑲邊焊接，為消除焊接應(yīng)力并提高焊縫質(zhì)量，每焊一道應(yīng)徹底清理焊渣，并錘擊焊波至模糊不清以消除應(yīng)力，每焊一道錘擊一遍。焊完一遍后，應(yīng)仔細(xì)檢查有否氣孔，若發(fā)現(xiàn)氣孔應(yīng)檢查原因，并把焊縫鏟掉重焊，焊波搭接寬度不小于焊波寬度的1／3。倘若裂紋發(fā)生在汽蝕區(qū)內(nèi)，應(yīng)先處理裂紋，在表面加焊抗汽蝕層。裂紋在焊接后要保溫和緩冷，最后才用風(fēng)砂輪進(jìn)行表面修整。

5）驗(yàn)收 按滲透檢測(cè)（PT）法進(jìn)行檢測(cè)，在確認(rèn)沒(méi)有缺陷后才算驗(yàn)收合格。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)為新安江水力電發(fā)廠機(jī)組檢測(cè)，消除了9號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪第6號(hào)葉片和第11號(hào)葉片缺陷，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)，建議繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)9號(hào)機(jī)組運(yùn)行的技術(shù)監(jiān)督，并在檢修時(shí)列為重點(diǎn)檢測(cè)對(duì)象，對(duì)其他機(jī)組在有條件時(shí)也應(yīng)及時(shí)進(jìn)行安全檢測(cè)。