水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析及處理

龐希斌，彭碩群，祝加勇，蔣君操，楊 恒，吳 敏，宋太平，湯 巍，何忠華

（國(guó)網(wǎng)新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410213）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，資源消耗的速度也在不斷的加快，水電站的發(fā)展越來越普及，成為了社會(huì)主義建設(shè)中不可或缺的重要組成。轉(zhuǎn)輪是抽水蓄能電站水輪機(jī)中的核心部件，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，由于機(jī)組發(fā)電和抽水工況頻繁正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，運(yùn)行工況復(fù)雜，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作為水輪機(jī)重要受力結(jié)構(gòu)部件，該區(qū)域在機(jī)組運(yùn)行中容易發(fā)生裂紋，近些年水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)多起裂紋問題，使機(jī)組被迫停役。轉(zhuǎn)輪裂紋的出現(xiàn)，不僅為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來了極大的威脅，為抽蓄電站的正常經(jīng)營(yíng)帶來了經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失，所以要想確保水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須通過無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪定期探傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效處理轉(zhuǎn)輪裂紋問題。采取有效的預(yù)防控制措施，確保機(jī)組運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性。

本文介紹了黑麋峰抽水蓄能電站3號(hào)、4號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪在檢修中發(fā)現(xiàn)的裂紋，其特征以及修復(fù)工藝控制，綜合分析裂紋成因，根本清除裂紋隱患，結(jié)合廠家建議，提出電廠在機(jī)組運(yùn)行方式以及維護(hù)檢修方面預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋事故的參考建議。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析

轉(zhuǎn)輪裂紋通常是在多個(gè)因素（比如交變外載荷、機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)、結(jié)構(gòu)存在薄弱環(huán)節(jié)、工程制造過程中的缺陷等）的綜合作用下產(chǎn)生，以下對(duì)黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪裂紋成因從水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算及材料選擇、制造工藝及控制流程等方面進(jìn)行分析說明。

2.1 黑麋峰電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪參數(shù)

黑麋峰電站水泵水輪機(jī)（HLNTP-LJ-504）轉(zhuǎn)輪為單級(jí)、立軸、混流可逆式轉(zhuǎn)輪，葉片整體鑄造、數(shù)控加工。轉(zhuǎn)輪上冠、葉片和下環(huán)組合焊接。3號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)的水泵水輪機(jī)上冠、葉片、下環(huán)材質(zhì)均為鑄造馬氏體不銹鋼制造，材料類型為ZG0 Cr13Ni4Mo（對(duì)應(yīng)美標(biāo)ASTM A743 CA6 NM），為保證制造（包括焊接、打磨）操作空間，轉(zhuǎn)輪下環(huán)分內(nèi)環(huán)、外環(huán)，轉(zhuǎn)輪兩次裝焊、焊后整體退火。

機(jī)組額定水頭295 m，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定出力和額定入力分別為300 MW、320 MW。引水系統(tǒng)采用1洞2機(jī)的布置方式，尾水系統(tǒng)采用1洞1機(jī)的布置方式，3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)共用2號(hào)引水管道。2010年9月、10月，3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)相繼投產(chǎn)發(fā)電，轉(zhuǎn)輪投產(chǎn)運(yùn)行8年，期間檢修均對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋情況。2018年3月機(jī)組C修期間，發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)均發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片裂紋缺陷，其中包含貫穿性裂紋。

2.2 3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋情況統(tǒng)計(jì)

3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪 PT 探傷檢查發(fā)現(xiàn)，1、2、3、4、5、8號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片共存在15條裂紋，裂紋總長(zhǎng)度1950 mm。其中3處為貫穿性裂紋，其中1號(hào)葉片進(jìn)水邊，出現(xiàn)最長(zhǎng)裂紋，長(zhǎng)350 mm，由正面延伸至背面，屬于貫穿性裂紋；其他裂紋擴(kuò)展方向各異，裂紋外部形態(tài)呈“蚯蚓狀”，形態(tài)沒有規(guī)律性，裂紋集中出現(xiàn)在葉片進(jìn)出水邊與上冠下環(huán)的連接焊縫和焊接熱影響區(qū)，并且屬于探傷檢測(cè)的盲區(qū)。

2018年3月9日至11日，4號(hào)機(jī)組C修期間對(duì)轉(zhuǎn)輪 PT 探傷發(fā)現(xiàn)，1、3、4、5、6、8、9 號(hào)葉片共存在 6條非淺表性裂紋，總長(zhǎng)度845 mm，其中1處為貫穿性裂紋。其中5號(hào)葉片出現(xiàn)最長(zhǎng)裂紋，長(zhǎng)230 mm，為V型裂紋。

關(guān)于3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)裂紋情況如表1、表2所示，安裝狀態(tài)下轉(zhuǎn)輪裂紋俯視示意圖如圖1，裂紋主要集中在葉片與上冠焊縫進(jìn)出水邊處。其中3號(hào)機(jī)4號(hào)葉片裂紋探傷情況、刨開后情況和4號(hào)機(jī)5號(hào)葉片裂紋情況如圖2、圖3、圖4所示。

表1 3號(hào)機(jī)組葉片裂紋情況統(tǒng)計(jì)表

圖1 3號(hào)機(jī)組裂紋分布俯視示意圖

2.3 機(jī)組運(yùn)行情況

3、4號(hào)機(jī)組從2010年投產(chǎn)截至2017年，每年發(fā)電小時(shí)數(shù)、抽水小時(shí)數(shù)逐年累加，從2014年開始黑麋峰公司機(jī)組在穩(wěn)定電網(wǎng)負(fù)荷需求中承擔(dān)重要作用，并且運(yùn)行情況穩(wěn)定。3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)總運(yùn)行時(shí)間分別為10726 h、9998 h，總啟停次數(shù)分別為2302次、1974次，3號(hào)機(jī)運(yùn)行時(shí)間、啟停次數(shù)均高于4號(hào)機(jī)。3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)歷年運(yùn)行時(shí)間和機(jī)組啟停次數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖5、圖6。

表2 4號(hào)機(jī)組葉片裂紋情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 3號(hào)機(jī)4號(hào)葉片裂紋探傷情況

圖3 3號(hào)機(jī)4號(hào)葉片裂紋刨開后情況

圖4 4號(hào)機(jī)5號(hào)葉片貫穿性裂紋探傷情況

圖5 3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

圖6 3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)啟停次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.4 轉(zhuǎn)輪水力分析

黑麋峰電站屬于300 m水頭段中大容量抽水蓄能電站。東電為黑麋峰電站機(jī)組的主承包方，法國(guó)ALSTOM公司為技術(shù)支持方。黑麋峰電站的水泵水輪機(jī)水力模型由ALSTOM公司研發(fā)。機(jī)組運(yùn)行過程中壓力脈動(dòng)特性和空化空蝕特性嚴(yán)重影響機(jī)組穩(wěn)定性能，ALSTOM公司根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果判斷黑麋峰機(jī)組不會(huì)發(fā)生真機(jī)空蝕，各種壓力脈動(dòng)情況中，轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間空載工況壓力脈動(dòng)數(shù)值較高，但符合國(guó)內(nèi)300～600 m水頭段抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的部分主要性能指標(biāo)。

但黑麋峰電站水泵水輪機(jī)水力模型在整個(gè)水輪機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)均出現(xiàn)S特性，為避免S特性對(duì)機(jī)組并網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)，ALSTOM公司在真機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，增設(shè)6片非同步導(dǎo)葉，消除運(yùn)行范圍內(nèi)的S特性，完全解決空載并網(wǎng)的問題。針對(duì)黑麋峰機(jī)組在水輪機(jī)工況全水頭段開機(jī)過程中需要投入非同步導(dǎo)葉的現(xiàn)狀，不排除機(jī)組過渡工況水力因素誘發(fā)轉(zhuǎn)輪裂紋的可能性。

2.5 轉(zhuǎn)輪材料結(jié)構(gòu)分析

東電負(fù)責(zé)黑麋峰電站3號(hào)機(jī)、4號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪制造，轉(zhuǎn)輪材料，具有優(yōu)良的抗銹蝕、抗泥沙磨損、抗空蝕性能，具有較為平衡的機(jī)械性能，以及優(yōu)良的焊接性能。轉(zhuǎn)輪疲勞特性直接影響機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為此，東電綜合考慮機(jī)組水輪機(jī)運(yùn)行、啟停機(jī)和飛逸工況，針對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片靠近上冠，以及轉(zhuǎn)輪靠近下環(huán)的位置進(jìn)行各種工況的損傷計(jì)算，最終得到轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)總壽命為139年，從結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的角度，轉(zhuǎn)輪的計(jì)算壽命能夠滿足50年運(yùn)行要求。

2.6 葉片裂紋特性

由于轉(zhuǎn)輪裂紋集中出現(xiàn)在葉片與上冠和下環(huán)進(jìn)出水邊的焊縫區(qū)和焊接熱應(yīng)力影響區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)輪硬度進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋處硬度值高于焊縫或母材的標(biāo)準(zhǔn)值或處于其上限值，轉(zhuǎn)輪母材在經(jīng)正火和兩次回火后，其正常組織為回火馬氏體+逆變奧氏體+鐵素體，組織表面硬度正常值為HB221-HB286，轉(zhuǎn)輪焊縫經(jīng)焊后去應(yīng)力退火后，其硬度應(yīng)在HB300以下，硬度值可以反映材料的組織形態(tài)。從表中數(shù)據(jù)可以看出，轉(zhuǎn)輪裂紋位置的硬度值為HB276-HB312，母材正常硬度值為HB220-HB。東電認(rèn)為黑麋峰機(jī)組轉(zhuǎn)輪在鏟磨過程中，PT檢查焊縫存在表面點(diǎn)狀缺陷（缺肉、氣孔和夾渣等），按工藝規(guī)范采用馬氏體補(bǔ)焊，但補(bǔ)焊過程中未嚴(yán)格按照焊接補(bǔ)焊工藝進(jìn)行，焊前未充分預(yù)熱或焊后未充分后熱，造成焊縫冷卻速度快，因此補(bǔ)焊處存在脆硬組織-淬火馬氏體，造成補(bǔ)焊位置硬度比周圍焊縫硬度值高，形成局部小區(qū)域的高硬度點(diǎn)。這些高硬度點(diǎn)在外部載荷的交變作用一定時(shí)間后，轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y源，多年時(shí)間累積后逐漸擴(kuò)展成裂紋源，對(duì)照3號(hào)機(jī)和4號(hào)機(jī)實(shí)際運(yùn)行小時(shí)數(shù)和機(jī)組啟停次數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，3號(hào)機(jī)組比4號(hào)機(jī)組服役時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)裂紋數(shù)量和總長(zhǎng)度均高于4號(hào)機(jī)，與實(shí)際情況相符。

2.7 裂紋成因結(jié)論

綜合水力、材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和裂紋特性方面的多種因素，黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪裂紋缺陷原因有以下結(jié)論：發(fā)現(xiàn)黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪本體材料選擇和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)并不是轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的直接原因，根本原因?yàn)檗D(zhuǎn)輪補(bǔ)焊工藝不規(guī)范導(dǎo)致焊縫位置存在局部脆硬組織，受到水泵水輪機(jī)低水頭段開機(jī)過程中非同步導(dǎo)葉投入產(chǎn)生的水力影響，機(jī)組開機(jī)過渡過程復(fù)雜，綜合導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，形成葉片多個(gè)部位缺陷型裂紋。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)

轉(zhuǎn)輪修復(fù)工藝控制主要包括：缺陷確認(rèn)、缺陷清理、焊接清理、加熱、焊接、焊材選擇、焊接余量及打磨探傷。具體內(nèi)容如下：

3.1 缺陷確認(rèn)、清理及控溫

對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片抽水進(jìn)水邊500 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)的焊縫及熱影響區(qū)，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行MT探傷；對(duì)發(fā)現(xiàn)裂紋的位置，按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT探傷，確認(rèn)缺陷深度。

焊前，將待焊區(qū)域及附近50 mm的油污、水分等雜質(zhì)和異物清理干凈；焊接過程中，在焊接覆蓋前一道熔敷金屬以前，應(yīng)清除所有焊渣，同時(shí)焊縫及附近的母材應(yīng)采用磨、刷或用其他合適的方法清理干凈。

預(yù)熱：施焊前，用火焰加熱方式預(yù)熱待焊區(qū)域及鄰近區(qū)域，加熱應(yīng)均勻，使待焊區(qū)域及其鄰近75 mm范圍內(nèi)≥100℃。溫度測(cè)量宜采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量采用非接觸方式，遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)點(diǎn)距離測(cè)量坡口或部位約50 mm。保溫溫度：從預(yù)熱焊接開始直至焊接結(jié)束，焊縫溫度不得低于80℃。緩冷處理：焊接修復(fù)轉(zhuǎn)輪缺陷后，采用保溫毯覆蓋緩冷。

3.2 裂紋氣刨及焊接

3.2.1 貫穿性裂紋

針對(duì)貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對(duì)待處理的裂紋部位進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥60℃；根據(jù)實(shí)際空間位置，焊工確認(rèn)裂紋清理面，按圖清理裂紋，并預(yù)制焊接坡口，應(yīng)在距離裂紋尖端10 mm位置標(biāo)記并設(shè)止裂孔，然后從裂紋尖端起進(jìn)行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤。

焊接正面坡口，要求多層多道焊；背面清根，使用碳弧氣刨清根，打磨見金屬光澤；清根表面的探傷，對(duì)清根表面進(jìn)行PT探傷，確認(rèn)裂紋清理干凈；焊接背面坡口，要求多層多道焊，焊接過程中，除打底層外，必須用錘擊方法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的釋放。3.2.2 非貫穿性裂紋

針對(duì)非貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對(duì)待處理的裂紋部位進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度≥60℃；采用旋轉(zhuǎn)銼打磨清除裂紋（優(yōu)先使用旋轉(zhuǎn)銼，深度大于10 mm時(shí)可采用碳弧氣刨清除）。當(dāng)采用碳弧氣刨清除缺陷，應(yīng)在距離裂紋尖端10 mm位置標(biāo)記并設(shè)止裂孔，然后從裂紋尖端起進(jìn)行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤；然后按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行MT或PT探傷，確認(rèn)缺陷清理干凈。焊接規(guī)范按照東電提供焊接規(guī)范手冊(cè)執(zhí)行。焊接采用手工電弧焊或熔化極氣體保護(hù)焊焊接。

要求深度超過5 mm，進(jìn)行多層多道焊，除打底層外，必須用錘擊方法進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力的釋放。

焊接時(shí)，焊縫表面應(yīng)高于母材表面3 mm，作為打磨余量。焊接材料的型號(hào)及規(guī)格見表3、表4。

表3 焊接材料（手工電弧焊）

表4 焊接材料（熔化極氣體保護(hù)焊）

3.3 焊后打磨和探傷

粗磨焊縫表面，特別注意過渡區(qū)域的打磨和防止打磨縮頸；對(duì)缺陷深度大于10 mm的部位，按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT檢查；對(duì)葉片厚度、焊角R尺寸等進(jìn)行檢測(cè)，確定精磨余量；焊縫UT探傷合格后精磨和拋光焊縫表面；對(duì)焊縫及相關(guān)打磨區(qū)域進(jìn)行按ASME標(biāo)準(zhǔn)PT檢查。

4 結(jié)論

本文根據(jù)黑麋峰電站轉(zhuǎn)輪成因分析及修復(fù)過程，提出以下建議：對(duì)于新建電站要加大力度復(fù)核和不斷嚴(yán)謹(jǐn)轉(zhuǎn)輪焊接制造工藝要求，嚴(yán)格控制補(bǔ)焊工藝要求，記錄修復(fù)過程參數(shù)，尤其是控制焊前焊后溫度時(shí)間，并對(duì)補(bǔ)焊位置進(jìn)行硬度測(cè)試；對(duì)于已投產(chǎn)電站，記錄機(jī)組振擺數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際各種工況的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定性特征，劃分機(jī)組可以長(zhǎng)期運(yùn)行區(qū)、允許短時(shí)運(yùn)行區(qū)、避振運(yùn)行區(qū)等運(yùn)行范圍，盡可能在水輪機(jī)最優(yōu)工況下運(yùn)行，盡量避免低水頭下的低負(fù)荷運(yùn)行，密切關(guān)注水泵工況最大和最小揚(yáng)程附近機(jī)組各項(xiàng)穩(wěn)定性能指標(biāo)值。在檢修工作中，安排定期進(jìn)行MT/PT檢查、UT檢查（建議1年1次），檢查轉(zhuǎn)輪過流面表面狀況。