水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施

【摘要】水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋缺陷是水電站普遍存在的問題，嚴重影響著機組整體的安全運行，因而對此類缺陷的檢查和處理工作是水電廠的重要工作。為了有效控制和減少轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，對裂紋產(chǎn)生的原因進行正確的診斷，并積極采取一些有針對性的預(yù)防措施，以避免該問題的發(fā)生，有利于確保水輪發(fā)電機組的安全、可靠、經(jīng)濟運行。本文就水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因及處理措施進行簡單的闡述。

【關(guān)鍵詞】水輪機轉(zhuǎn)輪葉片；裂紋成因；處理措施

水輪發(fā)電機組在運行中，由于工藝、水力因素等原因，轉(zhuǎn)輪葉片很容易產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，導(dǎo)致的結(jié)果是機組的壽命減小，停機檢修時間長，電站的經(jīng)濟損失也相應(yīng)增大。因此，確保轉(zhuǎn)輪的性能滿足要求，是機組設(shè)計的關(guān)鍵。

1工程概況

新安江水電廠裝設(shè)8臺9.5萬kW和1臺9萬kW的混流式機組，總裝機容量為85萬kW。 新安江水電廠是1座綜合型電站，兼顧發(fā)電、防汛為一體。1號機組發(fā)電機型號為TS854/156-40，水輪機型號為HLS66.46-LJ-410，額定流量135m3/s，轉(zhuǎn)輪直徑4.1m。水輪機轉(zhuǎn)輪有13個葉片，轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，真空精密鑄造。機組最大水頭85.4m，設(shè)計水頭73m，最小水頭59.96m，額定轉(zhuǎn)速為59.96r/min。1號機組于1960年并網(wǎng)發(fā)電，并于2002年3月至10月進行增容改造大修后投入運行。

2013年3月，在1號機進行B級大修期間，檢修人員對1號機組的轉(zhuǎn)輪葉片進行了超聲波探傷檢查。探傷結(jié)果顯示，1號轉(zhuǎn)輪葉片背部有一條長為115mm，寬為6mm，深度為3.5mm的裂紋；2號轉(zhuǎn)輪葉片出水邊根部有一條長為85mm，寬為4.1mm，深度為1.9mm的裂紋；4號轉(zhuǎn)輪葉片出水邊根部有一條長為80mm，寬為4.3mm，深度為1.4mm的裂紋和一條長為92mm，寬為3.6mm，深度為2.8mm的裂紋，上述裂紋都對轉(zhuǎn)輪葉片安全運行造成較大的危害，嚴重影響機組的安全、穩(wěn)定運行。

2水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因

2.1當機組在低水頭以及非最優(yōu)工況下運行時，機組工況較差，轉(zhuǎn)輪出口水流將形成環(huán)流，在尾水管中就會出現(xiàn)渦帶，渦帶呈渦旋狀擺動，渦帶的擺動在管壁上形成水流的壓力脈動，從而導(dǎo)致機組振動加大。若機組長期在振動區(qū)域內(nèi)運行，就會使轉(zhuǎn)輪葉片在交變應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂紋﹑裂縫，加劇轉(zhuǎn)輪葉片金屬材料的機械疲勞，從而使裂紋程度加重。

2.2在對1號機組進行檢修時發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)輪葉片的焊接質(zhì)量不過關(guān)，焊后熱處理不到位。焊接工藝不到位及焊縫焊完后的錘擊力度不到位會使焊縫存在焊接應(yīng)力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片內(nèi)應(yīng)力集中，使轉(zhuǎn)輪葉片形成疲勞裂紋。

3轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的處理措施

3.1將轉(zhuǎn)輪從水車室吊出放置在檢修場地后，對轉(zhuǎn)輪葉片表面進行除垢，將其表面的污垢清理干凈。

3.2在發(fā)現(xiàn)的裂紋上做好標記。標記應(yīng)清楚﹑清晰﹑準確。標記的內(nèi)容包括轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的部位﹑長度﹑寬度和深度，以便檢修人員進行補焊。

3.3在對轉(zhuǎn)輪葉片裂紋進行補焊時：①對于轉(zhuǎn)輪葉片深度沒有超過2mm的裂紋，可以用砂輪機對轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋進行直接打磨。用砂輪機對轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋進行直接打磨時，應(yīng)選用合格且功率合理的砂輪機和砂輪片，在打磨時應(yīng)控制好打磨的力度和角度，防止力度過大和角度不合理造成對葉片的損傷。通過鉆頭對裂紋鉆鉸止裂孔，止裂孔的孔徑為12mm，止裂孔位置在靠近裂紋末端8mm處，然后沿著止裂孔往裂紋的方向用砂輪機磨出一道寬25mm的溝槽，用30%硝酸酒精進行清洗檢查，再用10倍放大鏡檢查，確定轉(zhuǎn)輪葉片已無裂紋為止。所打磨出的溝槽應(yīng)該光滑﹑平整﹑有規(guī)則，對于在打磨過程中出現(xiàn)的高點﹑毛刺和角邊應(yīng)將其修復(fù)，打磨時應(yīng)循序漸進，不能野蠻作業(yè)及違章操作。

②對于轉(zhuǎn)輪葉片深度超過2mm的裂紋，為了方便進行裂紋補焊，必須先將轉(zhuǎn)輪葉片所在的裂紋處用炭弧氣刨開好坡口。炭弧氣刨在開坡口的過程中，會產(chǎn)生大量的熱變形和機械變形，這樣就會加速裂紋的擴大，對轉(zhuǎn)輪葉片造成更大的危害，所以在使用炭弧氣刨時必須采取間斷使用。在開坡口前，先用氧氣-乙炔的火焰對裂紋兩側(cè)220mm寬度進行預(yù)熱，溫度控制在60～100℃，坡口的形狀應(yīng)為單邊V形，坡口的夾角一般在35°～45°。因使用炭弧氣刨，所以會在吹割的地方有滲碳層的出現(xiàn)，這時可用砂輪機對其進行打磨，直至露出金屬部位為止，對于在處理過程中出現(xiàn)的高點和毛刺可以直接用砂輪機將其打磨光滑。對磨出的溝痕處用30%硝酸溶液進行清洗檢查，用毛筆蘸硝酸溶液涂抹在坡口或者溝痕底部，硝酸溶液經(jīng)過幾秒鐘的時間后便迅速滲入到裂紋所在處，再用棉布將硝酸溶液擦干凈，如果轉(zhuǎn)輪葉片還有裂紋存在的話，葉片上就會馬上出現(xiàn)黑色的裂紋，這就要求繼續(xù)對坡口深度進行加深，直至用酸洗法檢查后確認沒有裂紋為止。

由于轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼，因此選擇與母材的化學(xué)成分同質(zhì)或者相近的焊條，通過對比采用Cr13型馬氏體不銹鋼焊條，這樣可以使焊縫金屬的成分與母體相近，以便保證焊縫的焊接質(zhì)量和性能要求。Cr13型馬氏體不銹鋼焊條的焊皮要保持干燥、完整、無脫落現(xiàn)象，焊前應(yīng)將Cr13型馬氏體不銹鋼焊條存放在350～400℃的烘烤箱中進行高溫烘干，烘干時間至少在1h以上，并做到隨時取用，以便除去水分，防止潮濕，減少擴散氫含量和降低冷裂紋敏感性，保證焊接質(zhì)量。

1號機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的處理，為機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供了保障。一方面，避免了機組在振動區(qū)及非最優(yōu)工況下運行；另一方面，嚴格遵守焊接工藝是質(zhì)量的保證。只有嚴格按照國家的檢修標準和工藝去執(zhí)行，才能保證機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，為企業(yè)創(chuàng)造出更大效益。

小結(jié)

裂紋產(chǎn)生的原因是綜合性的，除共振因素外，強度特性、材料的選擇、工藝性能的好壞也會導(dǎo)致疲勞失效，從而產(chǎn)生裂紋。故對該問題的分析中，應(yīng)該從多種因素進行分析，以便能夠明確轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的主因，并采取針對性的措施，達到防范裂紋的目的。

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