高水頭混流式轉(zhuǎn)輪的全修復(fù)技術(shù)及保證措施

應(yīng)金仁，李 華

（東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

高水頭混流式水輪機(jī)在運(yùn)行若干年后，由于水電站水質(zhì)條件及運(yùn)行工況的改變，轉(zhuǎn)輪可能出現(xiàn)磨蝕嚴(yán)重的情況。轉(zhuǎn)輪運(yùn)行后出現(xiàn)的磨蝕缺陷主要出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪裂紋、R角處焊縫凹陷、葉片磨蝕凹坑、上冠及下環(huán)外緣磨損凹坑、葉片進(jìn)出水邊變薄等情況。高水頭混流式轉(zhuǎn)輪一般采用ZG06Cr16Ni5Mo或同等不銹鋼材質(zhì)制造而成，為了達(dá)到轉(zhuǎn)輪能夠全修復(fù)，需綜合考慮水力影響、修復(fù)過(guò)程焊接變形控制、熱處理及精加工制造工藝、剛強(qiáng)度、應(yīng)力水平、裂紋、配套接口尺寸及品質(zhì)管理、各部件匹配性等全方位因素，制定一套完整的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪修復(fù)方案。采用轉(zhuǎn)輪全修復(fù)技術(shù)及保證措施，可以保證轉(zhuǎn)輪各修理部位性能可靠，特別是轉(zhuǎn)輪裂紋、R角處焊縫、葉片磨蝕凹坑、上冠及下環(huán)外緣磨損凹坑、上下止漏環(huán)梳齒、葉片進(jìn)出水邊這些部位。

2 轉(zhuǎn)輪修復(fù)主要流程

為了對(duì)高水頭電站轉(zhuǎn)輪進(jìn)行完整的修復(fù)，需要進(jìn)行檢查、裂紋檢查、補(bǔ)焊、修磨、熱處理（高應(yīng)力區(qū)域焊補(bǔ)時(shí)或大面積堆焊時(shí)）、無(wú)損探傷、精加工、靜平衡、表面熱處理等主要步驟，轉(zhuǎn)輪修復(fù)具體步驟見圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪修復(fù)流程圖

3 轉(zhuǎn)輪各部位具體修復(fù)方案

3.1 具體修復(fù)方案對(duì)比

針對(duì)轉(zhuǎn)輪各部位具體修復(fù)方案，在修復(fù)過(guò)程中，進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，并提出優(yōu)化方案。轉(zhuǎn)輪上冠方案比較見表1，轉(zhuǎn)輪下環(huán)方案比較見表2。

表1 轉(zhuǎn)輪上冠修復(fù)方案

表2 轉(zhuǎn)輪下環(huán)修復(fù)方案

對(duì)表1、表2方案進(jìn)行對(duì)比分析：

（1）對(duì)于轉(zhuǎn)輪上冠修理，經(jīng)過(guò)比較，我們采用了方案1，方案1上冠外緣直接采用堆焊相比于方案2的不銹鋼塞焊，修理后強(qiáng)度及穩(wěn)定性更優(yōu)。方案1在對(duì)原上冠梳齒進(jìn)行車削后，鑲嵌不銹鋼板，再進(jìn)行精加工，上冠梳齒由于受力應(yīng)力很小，主要考慮磨損因素，因此鋼板性能更穩(wěn)定；如果采用方案2補(bǔ)焊，由于上冠梳齒處空間狹小，很容易造成補(bǔ)焊缺陷，且對(duì)補(bǔ)焊缺陷不容易處理。

（2）對(duì)于下環(huán)修理，方案1采用對(duì)下環(huán)外緣直接采用大面積堆焊，需控制焊接變形，再進(jìn)行精加工，相比于塞焊不銹鋼板，強(qiáng)度及穩(wěn)定性更優(yōu)。方案2采用不銹鋼板塞焊，焊接量少變形容易控制，但采用不銹鋼板塞焊如果焊縫處磨損，會(huì)造成運(yùn)行后膨脹現(xiàn)象等不穩(wěn)定情況。目前我公司采用優(yōu)化的大面積堆焊工藝，能夠很好控制大面積堆焊變形，因此下環(huán)修理我們采用了方案1。

3.2 轉(zhuǎn)輪各部位修復(fù)方案具體說(shuō)明

（1）上冠進(jìn)水側(cè)

根據(jù)轉(zhuǎn)輪磨蝕后測(cè)量的尺寸，如圖2所示情況，對(duì)上冠進(jìn)水側(cè)外緣確定堆焊后尺寸，根據(jù)確定的堆焊尺寸進(jìn)行堆焊。堆焊前對(duì)堆焊區(qū)域作MT或PT檢查，做好缺陷記錄；堆焊前進(jìn)行表面處理，焊接方法采用GMAW，焊絲與本體相匹配；焊前進(jìn)行預(yù)熱，采用接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行確認(rèn)，做好記錄；焊接時(shí)采用小規(guī)范、多層多道焊接；焊接時(shí)層間焊渣清除干凈，過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)生熔合不良或夾渣等缺陷應(yīng)及時(shí)處理，確保焊接質(zhì)量。焊接過(guò)程中確保層間溫度，若發(fā)現(xiàn)溫度低于100 ℃時(shí)需馬上再進(jìn)行預(yù)熱，可采用火焰預(yù)熱方式。

圖2 轉(zhuǎn)輪上冠側(cè)示圖

上冠外緣側(cè)凹坑，進(jìn)出水側(cè)凹坑和磨蝕凹坑，通過(guò)焊補(bǔ)方式處理。需補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行PT探傷檢查，確保無(wú)缺陷。焊接方法采用GTAW，補(bǔ)焊焊絲與轉(zhuǎn)輪相匹配，焊前進(jìn)行預(yù)熱；焊后修磨后，補(bǔ)焊區(qū)域做PT探傷檢查。

（2）上冠梳齒密封部分

根據(jù)測(cè)量圖紙的尺寸，確定上冠梳齒鑲焊尺寸。鑲焊不銹鋼焊接方法采用GMAW，焊絲與本體相匹配；焊前進(jìn)行預(yù)熱，采用接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行確認(rèn)，做好記錄；焊接時(shí)采用小規(guī)范、多層多道焊接；焊接時(shí)層間焊渣清除干凈，過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)生熔合不良或夾渣等缺陷應(yīng)及時(shí)處理，確保后續(xù)焊接質(zhì)量；焊接過(guò)程中確保層間溫度，若發(fā)現(xiàn)溫度低于100 ℃時(shí)需馬上再進(jìn)行預(yù)熱，可采用火焰預(yù)熱。

（3）下環(huán)進(jìn)水側(cè)

根據(jù)圖紙及測(cè)量的尺寸，對(duì)下環(huán)進(jìn)水側(cè)外緣確定堆焊后尺寸，如圖3所示情況，根據(jù)確定的堆焊尺寸進(jìn)行堆焊，滿足堆焊工藝要求。堆焊前需對(duì)堆焊區(qū)域作MT或PT檢查，做好缺陷記錄，并對(duì)表面進(jìn)行處理；焊接方法采用GMAW，焊材與本體相匹配；焊前預(yù)熱溫度≥100 ℃，保溫1 h，采用接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行確認(rèn)，做好記錄；焊接時(shí)采用小規(guī)范、多層多道焊接；焊接時(shí)層間焊渣清除干凈，過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)生熔合不良或夾渣等缺陷應(yīng)及時(shí)處理，確保后續(xù)焊接質(zhì)量；焊接過(guò)程中確保層間溫度：100~300 ℃，若發(fā)現(xiàn)溫度低于100 ℃時(shí)需馬上再進(jìn)行預(yù)熱，可采用火焰預(yù)熱方式。

圖3 轉(zhuǎn)輪下環(huán)進(jìn)水側(cè)磨損檢查示圖

下環(huán)凹坑，下環(huán)進(jìn)出水側(cè)凹坑和磨蝕凹坑通過(guò)焊補(bǔ)方式處理，需嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范WPS要求。需補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行PT探傷檢查，確保無(wú)缺陷；焊接方法采用GMAW+GTAW，補(bǔ)焊焊材與轉(zhuǎn)輪本體材料相匹配，焊前進(jìn)行預(yù)熱；焊后修磨后，補(bǔ)焊區(qū)域做PT探傷檢查。

（4）下止漏環(huán)

根據(jù)磨損測(cè)量尺寸及設(shè)計(jì)圖紙，確定下止漏環(huán)堆焊量及具體堆焊工藝。堆焊前對(duì)堆焊區(qū)域需作MT或PT檢查，做好缺陷記錄；堆焊表面處理后，采用GMAW堆焊，焊材與本體相匹配，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范WPS要求執(zhí)行；焊前進(jìn)行預(yù)熱，采用接觸式測(cè)溫儀進(jìn)行確認(rèn)，做好記錄；焊接時(shí)采用小規(guī)范、多層多道焊接。焊接時(shí)層間焊渣清除干凈，過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)生熔合不良或夾渣等缺陷應(yīng)及時(shí)處理，確保后續(xù)焊接質(zhì)量；焊接過(guò)程中確保層間溫度：100~300 ℃，若發(fā)現(xiàn)溫度低于100 ℃時(shí)需馬上再進(jìn)行預(yù)熱。

（5）上冠、下環(huán)、葉片過(guò)流面

轉(zhuǎn)輪原制作時(shí)下環(huán)是分兩段的，分步裝配焊接及鏟磨，待修復(fù)轉(zhuǎn)輪是整體的，可能存在著部分區(qū)域由于內(nèi)部空間狹小無(wú)法實(shí)施補(bǔ)焊及打磨；在可操作范圍內(nèi)對(duì)上冠、下環(huán)、葉片過(guò)流面進(jìn)行打磨過(guò)渡，對(duì)殘留的凹坑進(jìn)行補(bǔ)焊。補(bǔ)焊后一并同磨蝕區(qū)域進(jìn)行打磨，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范WPS要求執(zhí)行。堆焊前對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行PT探傷檢查，確保無(wú)缺陷；焊接方法采用GTAW，補(bǔ)焊焊材采用與轉(zhuǎn)輪相匹配材質(zhì)，焊前進(jìn)行預(yù)熱；補(bǔ)焊后修磨后，整體做PT探傷檢查。關(guān)于噴涂，只針對(duì)于可打磨處理的區(qū)域進(jìn)行噴涂。

4 性能優(yōu)化及保證措施

4.1 補(bǔ)焊材料的匹配性

因轉(zhuǎn)輪修復(fù)后需達(dá)到焊材與原轉(zhuǎn)輪材料性能匹配，因此需選用與母材同類材質(zhì)如MX-A410NM、No.7482進(jìn)口焊材。根據(jù)轉(zhuǎn)輪不同的修復(fù)部位及焊接工藝進(jìn)行合適應(yīng)用，這些焊材已廣泛應(yīng)用于混流式轉(zhuǎn)輪焊接。針對(duì)轉(zhuǎn)輪不同部位，如上冠、下環(huán)、葉片各部位焊縫處修復(fù)應(yīng)采用相宜的焊材，以達(dá)到匹配性要求。

4.2 轉(zhuǎn)輪整體有效熱處理（SR）

對(duì)轉(zhuǎn)輪高應(yīng)力區(qū)域或大面積堆焊實(shí)施全焊接修復(fù)后，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪造成焊接殘余應(yīng)力。為了消除焊接殘余應(yīng)力，對(duì)轉(zhuǎn)輪整體進(jìn)行有效熱處理（SR）以有效地消除焊補(bǔ)殘余應(yīng)力。對(duì)轉(zhuǎn)輪墊平、墊實(shí)進(jìn)爐進(jìn)行退火消應(yīng)力處理，布置4支熱電偶，上冠進(jìn)水邊、出水邊、下環(huán)進(jìn)水邊及出水邊各一支，溫度：（575±15） ℃，保溫7~8 h，爐冷至80 ℃出爐，升溫、降溫速度按≤55 ℃/h控制，進(jìn)行去應(yīng)力及去氫退火作業(yè)。轉(zhuǎn)輪整體熱處理（SR）見圖4示例。

圖4 轉(zhuǎn)輪整體熱處理（SR）示例

4.3 轉(zhuǎn)輪補(bǔ)焊前后無(wú)損檢測(cè)

轉(zhuǎn)輪在修理過(guò)程中，首先要進(jìn)行UT等無(wú)損探傷檢查，以發(fā)現(xiàn)判斷轉(zhuǎn)輪的缺陷，以便對(duì)轉(zhuǎn)輪磨損及可能潛在的裂紋在修理前及時(shí)發(fā)現(xiàn)。轉(zhuǎn)輪所有部位及焊縫按照ASME、GB相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。在有圖紙和技術(shù)文件要求的情況下，無(wú)損檢測(cè)應(yīng)該貫穿部件制作的各個(gè)階段，轉(zhuǎn)輪無(wú)損探傷檢測(cè)項(xiàng)目見表3。具體檢測(cè)方法和判定基準(zhǔn)按相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的要求執(zhí)行。

表3 轉(zhuǎn)輪修復(fù)無(wú)損探傷部位及要求

4.4 葉片出水邊的處理

葉片出水邊的處理是轉(zhuǎn)輪修復(fù)的重要一環(huán)，由于磨蝕造成出水邊翼型的改變，葉片出水邊區(qū)域磨損后，容易造成擴(kuò)散性裂紋，對(duì)葉片出水邊區(qū)域運(yùn)行造成隱患。水輪機(jī)在不合理的工況下運(yùn)行可能誘發(fā)機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的其他問(wèn)題的疊加，例如導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪部件的自激振動(dòng)、共振等，加速裂紋的發(fā)展，需要對(duì)轉(zhuǎn)輪出水邊進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)輪出水邊由于磨損后造成厚度減薄，對(duì)葉片出水邊進(jìn)行打磨并使葉片保持一定厚度，按照葉片翼型趨勢(shì)進(jìn)行打磨后倒角，利用葉片檢查樣板進(jìn)行檢查滿足設(shè)計(jì)要求。葉片出水邊卡門渦頻率與葉片固有頻率產(chǎn)生耦合共振的疲勞破壞容易導(dǎo)致葉片短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，由經(jīng)驗(yàn)公式斯特羅哈方程fs=s×v/d(s為斯特羅哈常數(shù))計(jì)算卡門渦頻率，表面卡門渦頻率與過(guò)流速度與葉片出水邊厚度有關(guān)，葉片出水邊處理后并保持一定厚度以避免產(chǎn)生卡門渦造成對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)等方面的影響。

4.5 精加工后的噴涂

對(duì)含泥沙較多的河流，為了增強(qiáng)轉(zhuǎn)輪的抗磨蝕、抗空蝕性能，轉(zhuǎn)輪精加工后，可對(duì)轉(zhuǎn)輪過(guò)流面采用碳化鎢熱噴涂保護(hù)。轉(zhuǎn)輪主要噴涂部位包括上梳齒、下梳齒、上冠進(jìn)口密封面、上冠進(jìn)口上平面、下環(huán)進(jìn)口密封面、下環(huán)外側(cè)面、上冠和下環(huán)流道面、長(zhǎng)葉片和短葉片表面。

碳化鎢熱噴涂一般采用超音速火焰噴涂（HVOF），即利用高能熱源，利用噴槍形成高溫火焰流，在高溫下將碳化鎢粉末加熱至熔融或塑性狀態(tài)，利用火焰流速將熔融粉末以高速噴向工件基材表面，形成涂層。噴涂前，除濕干燥及除塵，除銹蝕及表面拋光；需利用拋光輪進(jìn)行表面拋光打磨，以提高表面光潔度及拋去表面氧化層和加工疲勞層；對(duì)需要噴涂的表面進(jìn)行缺陷處理，對(duì)發(fā)現(xiàn)的表面缺陷利用氬弧焊進(jìn)行修補(bǔ)，再進(jìn)行表面拋光打磨，直至合格；粉末預(yù)處理及表面除脂除污處理。對(duì)于非噴涂表面，應(yīng)采取保護(hù)措施，避免噴砂和噴涂損傷這些表面。目視檢查需要噴涂的表面，待噴涂表面糙度最大為3.2 μm，無(wú)裂紋、無(wú)腐蝕、無(wú)氣孔、砂眼、無(wú)焊接夾渣，表面硬傷孔洞直徑不大于 0.5 mm，表面必須無(wú)任何線性缺陷，無(wú)任何飛濺、焊縫咬邊；對(duì)于超出要求的缺陷進(jìn)行GTAW焊補(bǔ)處理，做好記錄，并拍照留底。噴涂時(shí)，控制基材溫度不超過(guò)120 ℃，每遍涂層厚度不大于15 μm，涂層無(wú)臺(tái)階、脫落、不均勻現(xiàn)象等。噴涂后采用專用材料進(jìn)行涂層表面保護(hù)。

4.6 轉(zhuǎn)輪FEM分析及結(jié)果評(píng)估

轉(zhuǎn)輪全修理后，可根據(jù)加工后的尺寸進(jìn)行有限元FEM分析及評(píng)估，對(duì)于長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪最大主應(yīng)力一般位于短葉片與上冠焊接的出口區(qū)域以及長(zhǎng)葉片與下環(huán)焊接的出口區(qū)域，如圖5、圖6示例，轉(zhuǎn)輪集中應(yīng)力一般位于短葉片與上冠焊接的出口區(qū)域以及長(zhǎng)葉片與下環(huán)焊接的出口區(qū)域。

圖5 主應(yīng)力分布云圖 (左：正壓面；右：負(fù)壓面)示例

圖6 最大主應(yīng)力分布云圖示例

圖7 示例為轉(zhuǎn)輪FEM分析的轉(zhuǎn)輪徑向、軸向位移分布云圖，需要關(guān)注轉(zhuǎn)輪上冠外徑邊緣的徑向位移、轉(zhuǎn)輪最大徑向位移（一般位于下環(huán)邊緣）、長(zhǎng)葉片中部的周向變形等，要求控制在同類型轉(zhuǎn)輪變形范圍內(nèi)。

圖7 徑向、軸向位移分布云圖示例

4.7 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度控制方法

轉(zhuǎn)輪整個(gè)制作過(guò)程中的檢查包括：轉(zhuǎn)輪焊縫探傷檢查、轉(zhuǎn)輪修復(fù)前后基本尺寸檢查檢查、轉(zhuǎn)輪葉片型線/開口/節(jié)距/進(jìn)口角/厚度檢查、轉(zhuǎn)輪表面粗糙度檢查、轉(zhuǎn)輪靜平衡試驗(yàn)、轉(zhuǎn)輪跳動(dòng)檢查等主要項(xiàng)目。

修復(fù)前，檢查所有相關(guān)尺寸及進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)，確認(rèn)返廠時(shí)的情況。轉(zhuǎn)輪所有堆焊的凹坑采用PT探傷方法確保補(bǔ)焊無(wú)裂紋。堆焊后，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪焊縫進(jìn)行UT檢查，確保無(wú)焊接應(yīng)力所產(chǎn)生的新的裂紋。轉(zhuǎn)輪本體外圓上下止漏環(huán)位置采用機(jī)床打表的方式進(jìn)行本體校正，補(bǔ)焊后同樣采用機(jī)床打表方式進(jìn)行跳動(dòng)檢查，保證整體的同心度符合設(shè)計(jì)要求，確?，F(xiàn)場(chǎng)順利安裝。

修復(fù)后整體外形進(jìn)行外觀及尺寸確認(rèn)，保證修復(fù)后與原尺寸保持一致。噴涂后，再次確認(rèn)噴涂區(qū)域涂層的粗糙度、尺寸及外觀情況，確保無(wú)肉眼可見的氣孔等缺陷。

5 轉(zhuǎn)輪修復(fù)后的效果

由于轉(zhuǎn)輪采用全修復(fù)技術(shù)，修復(fù)后的轉(zhuǎn)輪性能基本與新制轉(zhuǎn)輪相當(dāng)，修復(fù)后的轉(zhuǎn)輪能夠重新投入穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期目的，轉(zhuǎn)輪修復(fù)后的效果見圖8示例。

圖8 轉(zhuǎn)輪修復(fù)后效果圖示例

6 結(jié)語(yǔ)

轉(zhuǎn)輪的全修復(fù)需要對(duì)轉(zhuǎn)輪特性進(jìn)行深刻了解，特別是在綜合考慮水力影響、修復(fù)過(guò)程焊接變形控制及精加工等制造工藝措施、剛強(qiáng)度、轉(zhuǎn)輪各部件應(yīng)力分布等因素全方位考慮，并結(jié)合專業(yè)噴涂廠家的噴涂方案，制定一整套合理優(yōu)化的修理方案。特別是對(duì)葉片出水邊補(bǔ)焊打磨等處理方式方案研討，并充分考慮葉片出水邊形狀，以避免產(chǎn)生卡門渦造成對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)等方面的影響。由于轉(zhuǎn)輪全修復(fù)需要大量堆焊及補(bǔ)焊，焊接時(shí)需嚴(yán)格控制變形，嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)范實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中加強(qiáng)體制管理，嚴(yán)格控制方案設(shè)計(jì)、制造工藝過(guò)程、品質(zhì)管理各環(huán)節(jié)，配置豐富資源包括設(shè)計(jì)、制造、探傷、焊接等專業(yè)技術(shù)人員以及數(shù)控加工、熱處理（SR）等。轉(zhuǎn)輪的全修復(fù)后可實(shí)現(xiàn)磨蝕轉(zhuǎn)輪的重新利用，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。