太平灣電站水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理

孫偉巖

(太平灣發(fā)電廠 遼寧 丹東 118000)

太平灣電站水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理

孫偉巖

(太平灣發(fā)電廠 遼寧 丹東 118000)

為了保障我廠(太平灣發(fā)電廠)電力的發(fā)展和設備的安全運行，提高焊接施工質(zhì)量，結合太平灣電站歷年來對水輪機變組檢修當中發(fā)現(xiàn)的汽蝕與裂紋的缺陷程度，重點對太平灣電站水輪機汽蝕和裂紋產(chǎn)生的原因進行了綜合分析，并詳細闡述了汽蝕與裂紋焊補前的處理、設備材料準備、焊接工藝、氣刨處理工藝過程、探傷和質(zhì)量檢驗等處理辦法及個人的觀點建議。

水輪機;氣蝕;裂紋;分析;焊補工藝; 質(zhì)量檢修

概述

太平灣發(fā)電站總裝有4臺機組，總裝機容量為190MW (4X47.5 MW)，水輪機型號為軸流轉漿式，電站為低水頭河床式電站。首臺機組已于1985年12月15日投產(chǎn)運行發(fā)電,后三臺機分別于1986年11月18日，12月28日和1987年10月28日陸續(xù)投產(chǎn)運行。1989 年2月份對四號機變組進行首次A級檢修，檢查發(fā)現(xiàn)葉片汽蝕輕微，汽蝕平均深度2mm, 汽蝕最大深度8mm。隨后每四年分別對各臺機組進行A級檢修，在檢修時，同時檢查發(fā)現(xiàn)轉輪葉片背面以及背面與下環(huán)結合處均有不同程度的汽蝕、裂紋產(chǎn)生；尾水管里襯汽蝕嚴重。為保證我廠機組優(yōu)質(zhì)高效的安全正常運行，我們必須要嚴肅重視汽蝕、裂紋的產(chǎn)生，及汽蝕與裂紋的防治與焊補等措施。

一、水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析

(一)汽蝕的產(chǎn)生成因分析

一般自然水中含有一定量的空氣。水流在水輪機中運動，存在某些高速低壓區(qū)，當該區(qū)域水流壓力降低到當時水溫下的汽化壓力Po時，則產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡被帶到相對的低壓高速區(qū)時開始被壓縮、凝聚以致迅速破裂。氣泡破裂形成高速射流，當氣泡半徑縮小到原半徑的1/50時，該射流速度接近水中音速。因而產(chǎn)生局部的巨大沖擊力(即所謂的水錘壓力，可達數(shù)百甚至上千個大氣壓)。然后被強烈碰撞的水質(zhì)點又急劇的向相反方向擴散，從而造成該處氣泡壓力又急劇降低(亦稱負水錘壓力)。形成周期性壓力脈動。這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點對發(fā)生汽蝕部位的金屬表面不斷的壓入和吸出，使該部位金屬表面發(fā)生微觀塑變和材料疲勞。造成金屬結晶顆粒脫落。當汽蝕反復作用在同一部位時，就會造成金屬表面變暗、粗糙，出現(xiàn)蜂窩以致穿孔或斷裂等現(xiàn)象。這是造成水輪機汽蝕破壞的主要原因。

(二)轉輪葉片裂紋產(chǎn)生原因技術分析

太平灣電站水輪機轉輪的裂紋多產(chǎn)生于葉片進水邊頭部、背面及葉片與上冠連結處等區(qū)域，且在轉輪運行多年以后才產(chǎn)生，應是疲勞所致裂紋。檢測區(qū)氣孔、縮孔多，大多來自于鑄造方面的原因。有些裂紋產(chǎn)生于氣孔、縮孔處并向兩側延伸發(fā)展。

金屬材料的疲勞破壞有一個材料在交變載荷作用下的逐漸累積損傷，產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直至最后的破壞過程。據(jù)統(tǒng)計，約有50-90%的機械結構破壞是由疲勞損傷引起的。疲勞破壞主要可分為兩個階段，即裂紋形成階段(達到可檢裂紋長度0.25-1mm)和裂紋擴展階段。金屬材料受載超過屈服極限后，將產(chǎn)生塑性變形，試驗證明了重復的塑性應變是形成疲勞裂紋的基本原因。在工作載荷的作用下，應力集中部位進入塑性狀態(tài)，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。太平灣電站機組轉輪大致如此。

二、水輪機汽蝕、裂紋的處理

(一)水輪機汽蝕處理

(1)汽蝕處理技術要求

1)補焊中嚴格按照施焊工藝，防止應力集中。采用對稱、輪流，分塊焊的工藝。尾水管里襯補焊面積較大也應采用對稱，分塊焊的方法。每塊面積不可過大，避免連續(xù)施焊；

2)為消除焊接應力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均應進行錘擊。每焊完一道焊波(暗紅色)馬上錘擊，以松弛焊接收縮應力；

3)對較大汽蝕補焊面積，每一層的焊波接頭及層與層之間焊波接頭應錯開；

4)施焊中，應采用小電流短弧焊施焊工藝，防止因熱影響區(qū)擴大；

5)焊條使用前應按規(guī)定烘干

6)汽蝕補焊最后一層應高出原型表面1mm—2mm為宜，以作為磨削余量

(2)汽蝕處理質(zhì)量要求

1)轉輪葉片型線檢查。按汽蝕破壞最輕的葉片制作型線樣板，用該樣板檢查汽蝕處理后的葉片型線。葉片表面與樣板間的間隙應控制在2mm—3mm之間；

2)打磨的光滑度應盡量提高，應達到12.5。因為表面處理光滑度越高，越不容易產(chǎn)生汽蝕；

3)經(jīng)打磨處理后的表面不允許有凹凸不平及深度超過0.50mm，長度大于50mm的溝槽。局部的凹凸細小的溝槽多是汽蝕破壞和加劇的誘因；

4)汽蝕處理區(qū)域的邊沿與原母材過渡應光滑過渡，保持原型線；

5)原尾水管壁內(nèi)焊疤必須全部磨平。

(二)水輪機裂紋的處理

(1)刨前在裂紋的兩端(向外延伸10～20mm )鉆止裂孔.直徑為φ6—φ8 mm。在實際的鉆止裂孔過程中，由于現(xiàn)場的工作位置以及葉片材質(zhì)硬度大于鉆頭的硬度，用鉆頭打止裂孔進度緩慢，難度很大。我們采取了用鉆頭在打孔位置先打出一個定位點，然后使用高速氣砂輪機帶動的合金磨頭，在定位點磨出一個止裂孔，此方法速度快，效果好，使葉片裂紋的處理時間得到大大的提高。

(2)裂紋清理用碳弧氣刨，刨前在裂紋附近預熱50-100℃?？捎醚?乙炔焰加熱，預熱范圍為裂紋周圍200mm。裂紋應清理干凈，表面酸洗(用30%硫酸或5%硝酸)，進行宏觀檢查，至肉眼不見裂紋為止(可用放大鏡)，也可用著色探傷法檢查。

(3)用碳弧氣刨刨開坡口，為防止過熱，應間斷進行，刨后用砂輪機打出金屬光澤。

(4)坡口型式應為K型雙面裂紋和單邊V型(單面裂紋處)。

(5)焊前預熱： 用氧—乙炔焰在裂紋背面沿裂紋方向移動加熱。溫升至150℃后停止加熱(可用點溫計測)，保溫4小時。注意坡口周圍應有足夠的預熱范圍。

(6)補焊工藝：

1)焊接材料(見下表)，用前應烘干。堿性低氫型焊條烘干溫度一般采用300～430℃。酸性焊條烘干溫度一般采用100～150℃。纖維素型焊條70～100℃。均需保溫1～2h。烘干后的焊條應避免急冷以避免藥皮開裂。

用途可選用的焊條牌號堆焊金屬的主要化學成分汽蝕區(qū)磨損深處的打底焊J422、J507抗汽蝕層堆焊堆276、堆277A102、A1322Cr-BMn12、4Cr9Mo3VC-2．5%、Cr-27%Cr-18Ni9耐蝕又耐磨層堆焊特制焊條0Cr13NI6MoV

2)錘擊消除應力，焊一層錘擊一遍，可往復錘2～3次，錘擊出麻點即可。

3)錘擊溫度：最好在溫度高時錘擊。

也可在冷卻到200℃以下再錘擊。但不可在200～500℃溫度下錘擊。

4)對于穿透性補焊區(qū)，底層不能錘擊。焊縫的表面層均不能錘擊。

5)若坡口深度大于20mm，應采用鑲邊焊，

6)對穿透性裂紋，先在正面焊2～3道焊波后，在背面用風鏟(或碳弧氣刨)清除坡口底部熔渣等，然后，在背面施焊，最后，正反輪番施焊。(見照片1，2)

7)多層焊時，每層焊縫的起弧和收尾要交錯。根部幾層用小直徑焊條(Ф2.5～3.2mm)，盡量用小電流，短弧焊要保證焊透。

照片1

照片2

8)每道焊縫要層搭接上一焊道的1/3寬度以上。焊至表面時應注意防止咬邊。

9)最后一道焊縫應為退火焊道，注意焊縫應高出周圍表面，以保證打磨后無凹坑。

10)焊補后進行適當?shù)谋刂螅蒙拜唽⒑缚p按葉面打磨光滑，將退火焊道磨掉，表面光潔度達▽3以上。

(7)探傷

1)先進行外觀檢查，焊縫和熱影響區(qū)不應有裂紋和咬邊。

2)用超聲波探傷，焊縫內(nèi)不得有裂縫夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，若有缺陷，須挖開后重新補焊。

三、結束語(幾點建議)

(1)使用新工具。目前我們使用的國產(chǎn)風動砂輪機重量較重，個別狹窄部位(如上冠流道，葉片根部)一般砂輪機磨不到(現(xiàn)有的太小無法使用)，這些部位處理起來十分困難，工作效率低，檢修質(zhì)量難以保證?，F(xiàn)有進口軟軸砂輪機轉速高，重量輕，可使用多種磨頭，應考慮使用。

(2)在汽蝕處理表面涂刷環(huán)氧樹脂、復合尼龍抗磨涂層，使用合金粉末噴焊等新技術已逐漸成熟，很多電廠使用已取得了較理想的效果，我們應積極探索學習，在我廠推廣使用，爭取一次處理長期收益，以減少汽蝕、裂紋處理的費用。

(3)加強檢修技術人員的培訓。特別是電焊工崗位技能的培訓，保證焊補質(zhì)量。

(4)成立專門的汽蝕與裂紋的處理質(zhì)量管理小組。保證我廠機組優(yōu)質(zhì)高效的安全生產(chǎn)運行。

[1]太平灣發(fā)電廠生產(chǎn)技術部主編《太電機械設備檢修工藝規(guī)程》

[2]太平灣發(fā)電廠生產(chǎn)技術部主編《太平灣電站設備手冊》

[3]《水輪機檢修》 袁蕊 田子勤主編.中國電力出版社