混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵部位的處理方法

黃鶴明

(上海福伊特水電設(shè)備有限公司，上海 200240)

0 引言

裂紋、磨損、空蝕及運(yùn)行工況是水輪機(jī)業(yè)界公認(rèn)的四大影響水輪機(jī)使用壽命的主要因素。近年來，隨著水電站對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的出力和效率要求的逐步提高，轉(zhuǎn)輪的通流面積逐步加大，葉片出水邊變得越來越薄，由于扭振影響和交變載荷作用，轉(zhuǎn)輪葉片出水邊容易產(chǎn)生疲勞斷裂。如何保證水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期高效穩(wěn)定運(yùn)行，這對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵部位的質(zhì)量要求及制造工藝帶來了極大的挑戰(zhàn)。

1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵部位

通過對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有限元分析FEA(見圖1)分析，顯示轉(zhuǎn)輪葉片出水邊分別與上冠和下環(huán)的交接處，是混流式轉(zhuǎn)輪應(yīng)力最高的兩個(gè)部位(見圖2)，得出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵部位主要分為2個(gè)部位(圖3區(qū)域11和區(qū)域13)。由于混流式轉(zhuǎn)輪的出水邊很薄，其剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)，應(yīng)力較為集中，受長(zhǎng)期交變應(yīng)力的影響，容易產(chǎn)生疲勞斷裂。為避免轉(zhuǎn)輪葉片這2處關(guān)鍵部位出現(xiàn)疲勞斷裂，應(yīng)當(dāng)按照GB/T 15468—2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中第4.2.2.8規(guī)定：“混流式和轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在預(yù)期的最大載荷條件下正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪各部位最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服極限的1/5；在最高飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料屈服極限的2/5?！眮碛?jì)算確定允許的缺陷大小，作為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊關(guān)鍵區(qū)域最大的允許當(dāng)量缺陷尺寸，通過無損探傷(NDT)手段找出該區(qū)域的超標(biāo)缺陷，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ邔⑷毕萃诔蓛舨匆?guī)定的焊接工藝進(jìn)行修復(fù)，從而有效保證轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵區(qū)域的質(zhì)量，避免混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行過程中出現(xiàn)裂紋。

圖1 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪FEA應(yīng)力分布

圖2 葉片出水邊與上冠和下環(huán)交接處應(yīng)力

圖3 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片示意圖

此文討論的關(guān)鍵部位是指轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠近上冠側(cè)和下環(huán)側(cè)各100 mm×300 mm內(nèi)運(yùn)行時(shí)容易發(fā)生裂紋的區(qū)域(葉片出水邊其他區(qū)域的要求參見我司的相關(guān)規(guī)定)，具體水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵部位尺寸應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪實(shí)際應(yīng)力計(jì)算的結(jié)果而確定。

2 關(guān)鍵部位的處理方法

2.1 葉片本體無損探傷NDT控制法

通過超聲波UT、液態(tài)滲透探傷PT及射線探傷RT相結(jié)合的方法，直接在轉(zhuǎn)輪葉片上出水邊關(guān)鍵部位按照該區(qū)域應(yīng)力水平經(jīng)斷裂力學(xué)和失效分析得出的最大允許當(dāng)量缺陷尺寸進(jìn)行無損探傷，找出超出本區(qū)域最大允許當(dāng)量缺陷尺寸的表面開口缺陷或內(nèi)部缺陷，并按規(guī)定的焊接工藝進(jìn)行修復(fù)至合格范圍。

值得注意的是，在進(jìn)行超聲波探傷UT檢查時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵部位的最大允許缺陷尺寸遠(yuǎn)小于CCH70-3驗(yàn)收等級(jí)的規(guī)定，常規(guī)的UT探傷設(shè)備已無法滿足要求，需要引進(jìn)、結(jié)合使用多種不同的UT設(shè)備進(jìn)行交替檢查、復(fù)核，如使用引進(jìn)的雙晶直探頭預(yù)查與使用雙晶斜探頭復(fù)查相結(jié)合的方法。同時(shí)應(yīng)當(dāng)調(diào)整超聲波設(shè)備的率定精度到合適的值并適當(dāng)改變超聲波增益值，如采用φ2.4 mm率定孔等措施，以確保UT檢驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確可靠地捕獲超標(biāo)缺陷。

失效分析表明，葉片關(guān)鍵區(qū)域的表面開口缺陷造成裂紋的危險(xiǎn)性遠(yuǎn)大于內(nèi)部缺陷，故PT檢查時(shí)應(yīng)按照混流式水輪機(jī)葉片關(guān)鍵部位專用無損探傷要求的等級(jí)進(jìn)行檢查，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片出水邊兩個(gè)高應(yīng)力的區(qū)域(葉片出水邊其他區(qū)域的PT要求參見我司的專用探傷要求)，應(yīng)做到PT檢查無缺陷顯示(見圖4)。

圖4 關(guān)鍵部位PT無缺陷顯示

射線探傷RT作為UT檢測(cè)的補(bǔ)充，可視產(chǎn)品的具體情況而定，必要時(shí)可不經(jīng)過UT檢查而直接使用RT。射線探傷因射線源的管控要求，通常不適宜在開放的制造現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行檢查，如有特殊要求，需根據(jù)安全規(guī)定及時(shí)做好相應(yīng)防護(hù)和隔離措施。

葉片關(guān)鍵部位出現(xiàn)的少量、不連續(xù)的單個(gè)超標(biāo)缺陷，采用手工打磨的方式將缺陷區(qū)域清除干凈。圓形缺陷應(yīng)采用金屬磨頭將缺陷去除，不得使用洋沖沖眼的方式消除缺陷。缺陷較大處應(yīng)使坡口圓滑過渡，表面打磨光滑進(jìn)行PT檢查，以便確認(rèn)缺陷是否已經(jīng)挖除干凈。應(yīng)當(dāng)對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域采用適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行預(yù)熱，如采用火焰預(yù)熱方式。宜采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)進(jìn)行焊接，焊接過程中應(yīng)采用小規(guī)范焊接電流進(jìn)行焊接并嚴(yán)格控制層間溫度不超過180 ℃。在最終焊接層上用氬弧焊焊接回火焊道以增加熱影響區(qū)和焊縫的韌性(見圖5)。焊縫表面打磨光滑且與母材光滑過渡，并拋光以便重新NDT檢查修補(bǔ)及周圍區(qū)域。

如有可能，盡量在轉(zhuǎn)輪葉片參與裝焊前對(duì)葉片的關(guān)鍵部位按專用探傷要求進(jìn)行探傷檢查并返修至合格范圍；如果轉(zhuǎn)輪已裝焊完成，則需適當(dāng)墊高轉(zhuǎn)輪的高度，以便順利進(jìn)行無損探傷檢查。

圖5 鎢極惰性氣體保護(hù)焊焊接順序

2.2 三角塊替換法

如果轉(zhuǎn)輪葉片出水邊關(guān)鍵部位出現(xiàn)大量、密集型缺陷，采用上述方法直接在轉(zhuǎn)輪葉片本體上進(jìn)行修復(fù)，其修復(fù)難度和成本將會(huì)大大提高?？蓪㈥P(guān)鍵區(qū)域鑄件材料切除掉(見圖6)，使用經(jīng)過無損檢驗(yàn)(驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)同該關(guān)鍵區(qū)域的鑄件要求)合格的同材質(zhì)鋼板，按葉片設(shè)計(jì)模型參數(shù)進(jìn)行CNC數(shù)控加工的三角塊(見圖7)。

圖6 割除的三角塊

圖7 鋼板加工的三角塊

使用樣板在葉片上標(biāo)出要替換部分的切割輪廓線。去除葉片三角塊前應(yīng)檢查去除位置旁30 mm處的開度并記錄，并在相鄰葉片間靠近出水邊與焊縫的地方加裝支撐。葉片碳刨后打磨出坡口，待替換的鋼板坡口與葉片打磨坡口鏡像對(duì)稱，PT檢查坡口表面確認(rèn)無缺陷后方可裝配(見圖8)。

圖8 葉片三角塊裝配示意圖

端部加裝引弧板，按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱和焊接。每條焊縫先正壓面由里向外焊滿2/3，從負(fù)壓面碳刨清根并經(jīng)PT檢查確認(rèn)無缺陷后，焊接負(fù)壓側(cè)、正壓側(cè)完成填充焊道。蓋面焊縫和回火焊道均采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)焊接(見圖9)。打磨葉片表面焊縫并按專用探傷要求進(jìn)行NDT檢查以確保關(guān)鍵區(qū)域的質(zhì)量達(dá)到要求。檢查復(fù)核三角塊替換區(qū)域的開度。整個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接應(yīng)按照葉片位置對(duì)稱焊接以減少變形。

圖9 轉(zhuǎn)輪葉片三角塊焊接示意圖

因鋼板本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該三角塊替換法比在轉(zhuǎn)輪葉片本體上進(jìn)行無損檢測(cè)更方便，更靈活。鋼板UT檢測(cè)時(shí)對(duì)探傷員的經(jīng)驗(yàn)要求比葉片本體關(guān)鍵部位檢查時(shí)要低，葉片關(guān)鍵部位使用三角塊替換鑄件后的質(zhì)量統(tǒng)一、易于控制。但材料成本和加工成本更高，需要額外購買UT等級(jí)較高的鋼板，按關(guān)鍵部位無損檢驗(yàn)要求檢驗(yàn)后在合格區(qū)域下料，并經(jīng)數(shù)控加工到設(shè)計(jì)規(guī)定的型線?；诳s短轉(zhuǎn)輪制造周期考慮，若采用三角塊替換方案，則鋼板的材料準(zhǔn)備工作應(yīng)當(dāng)在鑄造模型分析結(jié)果出來的同期進(jìn)行安排落實(shí)(工地轉(zhuǎn)輪返修時(shí)則應(yīng)提前準(zhǔn)備三角塊)。

2.3 關(guān)鍵區(qū)域堆焊法

與三角塊替換法不同的是，關(guān)鍵區(qū)域堆焊法是將轉(zhuǎn)輪葉片含有大量密集型缺陷的關(guān)鍵區(qū)域直接割除(見圖10)，使用與轉(zhuǎn)輪葉片同等材質(zhì)的焊材通過堆焊的方式更換原鑄件材料(見圖11)。在堆焊過程中，應(yīng)對(duì)每道焊層進(jìn)行清理打磨直至露出金屬光澤，以確保焊縫無雜物。堆焊完成后應(yīng)打磨光滑平整葉片過流面及葉片出水邊。按照轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵部位專用無損探傷要求對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的探傷檢查，并根據(jù)規(guī)定的焊接工藝對(duì)缺陷部位進(jìn)行修補(bǔ)。

圖10 割除高應(yīng)力區(qū)域

該堆焊法較為耗時(shí)，還會(huì)引起局部變形，應(yīng)力較大，焊縫組織無法進(jìn)行回火處理等缺點(diǎn)。因此，該堆焊法作為針對(duì)大量密集型缺陷時(shí)轉(zhuǎn)輪關(guān)鍵部位的備選返修方案，僅適合于工地工期很短的混流式轉(zhuǎn)輪緊急返修。

圖11 關(guān)鍵區(qū)域堆焊

3 結(jié)語

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋是一個(gè)比較普遍的問題，傳統(tǒng)工藝下的水輪機(jī)由于焊接殘余應(yīng)力較低、機(jī)組轉(zhuǎn)速適中、參數(shù)較低，“裂紋問題”控制的比較好。但對(duì)于大中型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪而言，其轉(zhuǎn)輪出水邊靠近上冠、下環(huán)連接處的應(yīng)力較高，應(yīng)從葉片鑄件、轉(zhuǎn)輪制造過程中按混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)鍵部位專用無損探傷要求進(jìn)行控制，以避免因材料缺陷而造成的疲勞斷裂/裂紋。綜合考慮上述三種處理方案，尋找最佳的、經(jīng)濟(jì)的便捷方案，如按專用探傷要求對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行普查，對(duì)于少量、不連續(xù)的單個(gè)缺陷直接進(jìn)行焊補(bǔ)；對(duì)于大量、密集型的缺陷根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件采取相應(yīng)的三角塊替換或者直接堆焊方案。我司已成功地在十幾個(gè)項(xiàng)目的車間轉(zhuǎn)輪制造和所有電站運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)輪檢修中按照葉片專用探傷要求對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行NDT探傷返修和使用三角塊替換方案，有效地保證了轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量，贏得了電站業(yè)主的一致好評(píng)。與此同時(shí)，電站機(jī)組應(yīng)當(dāng)按照水輪機(jī)廠家推薦的水輪機(jī)運(yùn)行特性曲線規(guī)定的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，以減少低頻水力振動(dòng)的影響，確保機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。