×××水电站转轮叶片裂纹分析及处理

×××水电站转轮叶片裂纹分析及处理摘要：×××电站水轮发电机组在运行过程中，转轮出现裂纹，严重威胁水电厂的安全经济运行，通过对水轮机转轮叶片裂纹产生的主要原因分析和处理，总结了水轮机转轮叶片裂纹在一般情况下的常用处理方法和一般工艺，保证了机组的安全稳定运行。关键词：转轮叶片裂纹裂纹处理补焊工艺0绪论×××水电站位于四川省石棉县境内的松林河干流上，电站安装有3台单机容量43MW的立式混流式水轮发电机组，总装机129MW，单机额定流量为26m3/s转轮型号为HLD307C，直径2050mm，转轮为铸焊结构，上冠、下环及15个叶片单独加工后组焊为一体。上冠、下环及和叶片材料均为ZG06Cr13Ni6Mo。首台机组于2007年6月投入商业运行。×××三台机组在投运后转轮不同程度地都出现裂纹，最为严重的是2011年7月中旬，1#水轮发电机组在在运行过程中转轮叶片出现掉块，水导摆度突然增大，导致水力不平衡，水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失。因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。1裂纹产生原因分析第5页共5页 1.1铸造缺陷及焊接缺陷铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现气蚀和裂纹（如图1、图2）。（图1：转轮叶片出水边穿透性裂纹及气蚀）（图2转轮叶片出水边掉块）1.2应力集中转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算得出，转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面（压力分布面）靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内（如图1、2）。1.3运行原因由于汛期、枯水期发电量和电价系数等问题，电站要考虑最优经济效益，导致机组在低负荷或震动区运行，会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。2裂纹处理2.1阻止裂纹延伸第5页共5页 通常裂纹的两端尾部内应力接近材料的极限强度，在外力或热应力的影响下还会继续延伸。因此，必须在裂纹两端打止裂孔，孔径应不小于6mm，裂纹清理过程中如发现纹路有新的的发展趋势应停止清理，再追加止裂孔，一般孔深应比裂纹深度大4～6mm。但实际工作环境有时使钻止裂孔无法操作，就采取用电焊或炭弧气刨在裂纹末端穿孔，实际证明此法可行。2.2裂纹清理及开坡口纹的坡口处理可根据裂纹的大小和工作量决定，采用炭弧气刨可对较深的裂纹进行多次吹割，这种方法操作简便，速度快，但坡口内往往有渗碳层，要用异型砂轮磨削。为了防止过热引起变形和裂纹扩展，炭弧气刨必须间断使用。对于裂纹较小的部位，可直接用磨光机或异型砂轮磨削出坡口。坡口的形式应遵守焊接工艺的一般要求，主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。2.3补焊工艺第5页共5页 叶片补焊可采用两种方法，一是同种材料热焊，这种方法工艺较复杂，要进行焊前预热和焊后热处理，焊接条件较恶劣，但是由于补焊焊缝的填充材料和被补焊母材基本一致，因此，在使用过程中出现问题的可能性较小；另一种是奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊工艺简单，生产周期短。冷补焊焊接过程中不发生相变，且焊缝的塑性较好。因此，该方案可不预热，简化了补焊工艺，避免了铸钢件受到大的热作用，从而减小了被焊件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单，但是补焊金属强度低于母材，且由于不预热冷焊，近缝区的冷却速度较大，不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织，给补焊接头的性能带来不利影响。综合两种焊接工艺，该电站采用将两种焊接工艺结合起来，主要方法步骤如下：2.3.1用碳弧气刨或砂轮机将裂纹和缺口位置刨出V型坡口，直到合格为止然后用。用磨光机和电磨对坡口进行清理，直至露出金属光泽；2.3.2用乙炔焰对需补焊的位置进行预热，预热温度控制在150℃-200℃之间，预热时间控制在5-10min，预热范围控制在焊缝周围30cm左右。2.3.3预热完成后开始对裂纹施焊，采用不锈钢A237（φ2.5mm）焊条进行打底焊，焊接电流控制在60-70A（打底焊不要一次完成，需分段进行）。焊前焊条要经过200～300℃的温度烘焙1～2h。打底焊工作根据缺口或裂纹情况分多次完成，每完成一次后进行打磨，去除飞溅和夹渣部分，磨出金属表面光泽。在下一次打底焊工作开始前需要预热和消除应力后再进行。2.3.4堆焊根据裂纹需要堆焊部位厚度，选择A042/φ3.2mm焊条或A042/φ2.5mm进行堆焊；堆焊方法采用小电流、多层多道焊，A042/φ2.5mm焊条电流控制在60-70A，A042/φ3.2mm焊条电流控制在90-100A。每焊一层，用小风铲锤击一遍进行消应，面层不锤击消应。2.3.5按照打底焊的焊接工艺反复进行堆焊，预热、打磨消除应力这三项工作，焊接完成后用石棉布覆盖焊缝作缓冷处理；2.3.6第5页共5页 堆焊完成后检查焊缝，用砂轮机将焊接部位修平，再用无损探伤方法检查，确保无裂纹等缺陷存在。将补焊部位磨光，修磨时应注意，若补焊部位在转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角部位，应将R角修整到符合设计要求，达到原叶片表面型线和表面光洁度，以免引起应力集中，再次开裂。3结束语转轮是水轮机的核心部件，水轮机在使用过程中转轮出现裂纹是目前水电站普遍存在的问题之一，如果出现的裂纹较大，将会对水电厂的安全经济运行产生严重的影响，因而水电厂的重要工作之一就是对转轮裂纹的检查和修复。通过对×××电站水轮机转轮叶片裂纹的数次修复处理，总结出来的这些经验，可供同类型电站对转轮裂纹的检查和修复作参考，不足之处请指正。参考文献：（1）马庆增，阚伟民，水轮机转轮叶片裂纹分析及处理[J].广东电力2003，作者简介：袁向东（1976--），男，四川石棉人，工程师，本科，从事水电站电气设备管理、检修、维护工作19年。第5页共5页