轉輪葉片裂紋分析，檢測及處理

王　磊

摘要：轉輪是水輪機核心部件，轉輪的葉片出現裂紋會嚴重威脅水電廠的安全運行。通過對水輪機轉輪葉片進行有限元計算分析，得出應力過于集中通常是葉片裂紋產生的主要原因，此外，葉片也存在設計、制造、運行方面的問題，為此，介紹了水輪機轉輪葉片裂紋無損檢測的常用方法和一般工藝。

關鍵詞：水輪機；轉輪葉片；應力；有限元；裂紋；無損檢測

引言

水輪機轉輪葉片裂紋的頻繁產生，對機組安全運行構成很大威脅，也給電廠帶來極大的經濟損失，因此，分析裂紋產生原因，并對易產生裂紋部位進行無損探傷檢查，對及時處理缺陷，消除事故隱患是十分必要的。

1 轉輪裂紋及現象

小浪底某臺機組小修期間，發現轉輪的13個葉片出水邊接近上冠處有11個葉片出現裂紋(后經著色探傷，確定另兩個葉片也有輕微裂紋)，裂紋長度 100～400mm不等，大部分為貫穿(端面)型裂紋，所有裂紋形狀相似，起始點在葉片負壓面與出水端面交線上，距上冠約50mm，裂紋起始端與葉片出水邊垂直，后端以不規則拋物線形向葉片中心延伸，其中有一個葉片同時出現沿焊縫方向的裂紋。近期景洪1號機組也發現出水邊靠近上冠部位以及靠近下環部位的裂紋，而且最近投產的大水電機組經常在轉輪這些位置出現裂紋。

2 裂紋產生原因分析

2.1 應力集中

采用有限元計算分析得出，轉輪在水壓力及離心力的作用下，大應力區主要分布在轉輪葉片周邊上， 按第三強度理論計算的相當應力沿葉片周邊分布。轉輪葉片存在四個高應力區，他們的位置在葉片進水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處；葉片出水邊正面的中部；葉片出水邊背面靠近上冠處；葉片與下環連接區內。

2.2鑄造缺陷及焊接缺陷

葉片原材料經加熱模壓，其中鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應力的作用下可能會成為裂紋源，造成裂紋的產生。由于轉輪葉片與上冠、下環的厚度相差大，在冷卻過程中易產生縮孔、疏松等。轉輪上冠、下環與葉片均為馬氏體不銹鋼材料，焊條則是奧氏體不銹鋼材料。國內不少專家認為，這是異種鋼焊接，導致內部應力很大。目前都采取焊后熱處理消除應力，但難免應力消除不徹底。鑄焊結構的轉輪，若焊接工藝不當或焊工沒有按照焊接工藝的要求進行焊接，在焊縫及熱影響區也會出現裂紋。

2.3 原設計問題

轉輪葉片與上冠、下環間的過渡R角設計較小，引起應力集中。

2.4 運行上的原因

長期低負荷、超負荷或在震動區運行會使葉片在交變應力作用下產生裂紋或裂紋情況加劇以及引水系統水擊振動形成共振等原因。

3 裂紋無損檢測

常用的無損檢測方法有以下幾種：磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、射線檢測等。裂紋易于產生的應力集中部位，如葉片進水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環連接區等部位，由于透照布置比較困難，不能用射線透照法進行無損探傷。根據水輪機轉輪葉片表面比較粗糙、結構復雜和厚度變化大的特點，一般應采用滲透、磁粉、超聲波的方法進行無損檢測。

3.1 超聲波檢測

超聲波探傷方法對裂紋、未熔合等面積型缺陷的檢出率較高，適宜檢驗較大厚度的工件，但是對于鑄鋼、奧氏體不銹鋼材，由于粗大晶粒的晶界會反射聲波，在屏幕上出現大量的“草狀波”，容易與缺陷波混淆，影響檢測可靠性，限制了超聲波探傷方法在鑄鋼制水輪機轉輪葉片上無損檢測的應用。探測頻率越高，雜波就越顯著，為了減小晶界反射波的影響，我們采用了低頻探頭(2MHz)對鑄鋼轉輪進行超聲波探傷，發現反射信號以后再用高頻探頭(4MHz)進行定量，實踐證明這是可行的。

3.2 滲透探傷

滲透探傷方法簡單易行，顯示直觀，適合于大型和不規則工件的檢查和現場檢修檢查。但是，滲透探傷方法是利用滲透能力強的彩色滲透液滲入到裂紋等缺陷的縫隙中，再利用吸附能力強的白色顯像劑，將滲透液吸出來以顯示缺陷的，因此，只能檢查表面開口的缺陷。

3.3 磁粉探傷

磁粉探傷方法是利用工件磁化后，在材料中的不連續部位(包括缺陷造成的不連續性和結構、形狀、材質等原因造成的不連續性)，磁力線會發生畸變，部分磁力線有可能逸出材料表面形成漏磁場，這時在工件上撒上磁粉，漏磁場就會吸附磁粉，形成與缺陷形狀相近的磁粉堆積，從而顯示缺陷。因此，磁粉探傷適用于鐵磁材料探傷，可以檢出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于難以磁化而無法探傷。

綜上所述，為了保證水電機組的安全運行，考慮到各種探傷的優點和局限性，水輪機轉子應進行如下檢驗：對葉片清理后進行宏觀檢查；對可以磁化的部位進行磁粉探傷，不能磁化的部位進行滲透探傷，近來金屬磁記憶和渦流探傷技術日漸成熟，也可以用來進行表面探傷；對葉片進水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片與下環連接區等應力集中部位和表面發現缺陷的部位進行超聲波探傷。檢驗中發現的裂紋等危險性缺陷應進行處理。

4 裂紋處理

4.1 阻止裂紋延伸

通常裂紋的兩端尾部內應力接近材料的極限強度，在外力或熱應力的影響下還會繼續延伸。因此，必須在裂紋兩端打止裂孔。

4.2 裂紋清理及開坡口

裂紋鏟除常用兩種方法：風鏟和炭弧氣刨。

坡口的形式應遵守焊接工藝的一般要求，主要根據裂紋情況、部位和鏟除及施焊方便而定。裂紋清除后應進行著色探傷以確認裂紋是否全部清除干凈。

4.3 補焊工藝

葉片補焊可采用兩種方法，一是同種材料熱焊，另一種是奧氏體焊條進行冷焊。

焊后的打磨處理并進行無損探傷檢查。最后出水邊補焊三角體，降低該點的設計應力，修整出水邊，消除由卡門渦引起的共振。

結論及建議

近年來，水輪機轉輪的葉片裂紋頻繁發生，嚴重威脅水電廠的安全經濟運行，有必要在機組小修和大修時對應力集中等易于產生裂紋的部位進行無損探傷檢查，對發現的缺陷及時正確處理，把事故消滅在萌芽狀態，保證機組的安全運行。

參考文獻

[1]劉永賢.混流式水輪機轉輪內部流場直接三維有限元計算[J].大電機技術1990.2. 23-1253.

[2]顧四行.水輪機轉輪裂紋及其處理[J].水電站機電技術，1992，（3）.

[3]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷[M].北京：電力工業出版社,1980.

[4]中國機械工程學會無損檢測學會.磁粉探傷[M]北京.機械工業出版社，2004.