淺析東江水電站3號轉輪葉片裂紋處理

摘要：水輪機轉輪的葉片裂紋嚴重威脅著電廠的安全穩定運行。東江水電廠在2013年機組檢修期間，對東江水電站3號轉輪葉片進行三角補強處理，并在補強運行一年后停機檢查。文章以此為例，淺析了轉輪裂紋頻繁出現的原因和處理辦法，為今后徹底處理轉輪葉片裂紋等問題提供了相關依據。

關鍵詞：東江水電站；裂紋原因；無損檢測；裂紋處理；三角加強筋 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK730 文章編號：1009-2374（2015）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.039

1 概述

大東江電站機組最高水頭：139m，最低水頭：81m，安裝高程：▽144m，設計額定功率：125MW，增容改造后，額定功率為：145MW。機組轉輪采用整體鑄焊結構。葉片、上冠和下環均采用低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo材料。經投運至今，每年進行例行檢修時，都會發現轉輪葉片上存在不同程度的裂紋，有些裂紋多次出現，對我廠機組的安全穩定運行造成了極大影響。

2 葉片裂紋原因

大東江水電站3號機轉輪至2003年投運以來，幾乎每年都會出現不同程度的裂紋（表1），而且絕大部分裂紋集中出現在上冠出水邊，裂紋大都呈貫穿性，許多裂紋有著嚴重的復發性。

葉片產生裂紋的原因有很多，主要有：（1）葉片毛坯有缺陷：葉片鑄件有夾渣、氣孔和微觀裂紋等，它往往形成裂紋源，從而導致葉片開裂；（2）轉輪制造設備欠佳，產品精度差異大。3號機組葉片厚薄不均，出水邊厚度最小的只有7.6mm，最大達13mm。在某些不利的條件運行時，如出現水流受到干擾、不規律開停機、導葉開度改變、卡門渦列或空化等，葉片受到交變應力會誘發焊縫產生疲勞開裂；（3）受條件所限，電站現場處理焊材與母材成分不一致，導致熔合區成分復雜，焊接接頭強度不均，焊接熱影響區內存在晶粒粗大的魏氏組織，該組織可以改變接頭力學性能，降低接頭的塑性、韌性。

3 裂紋檢測方法

在機組檢修時，可通過無損檢測來檢驗葉片是否存在裂紋，電站常用的方法有：

3.1 滲透檢測

滲透檢測方法簡單直觀，是檢測葉片表面裂紋的主要手段，一般對葉片上冠出水邊區、下冠出水邊區等組焊位置進行檢測。

3.2 超聲檢測

超聲波探傷方法對裂紋、未熔合內部缺陷的檢出率較高，適宜檢驗較大厚度的工件，一般采用低頻探頭掃描，再用高頻探頭精確查找與定位。

4 葉片裂紋常規處理

4.1 處理方式

4.1.1 熱焊即補焊加整體或局部熱處理，適當的熱處理對改善裂紋修復區的金屬組織性能、降低焊接殘余應力、提高接頭抗疲勞裂紋都有很好的效果，低碳馬氏體不銹鋼焊縫在退火后韌性和塑型相對應焊后狀態大

幅提升，但熱處理設備復雜，電廠現場基本達不到條件。

4.1.2 冷焊即焊后不進行熱處理的焊接工藝，它使現場的工作量最小化，勞動條件較好，但焊后接頭組織和內應力難以得到有效的改善，電廠中一般都以冷焊為主。

4.2 焊接工藝

4.2.1 焊條選擇：根據焊條選用原則，應選擇與葉片成分結構相同的低碳馬氏體焊條，但該焊條使用條件苛刻，且焊后需要熱處理，不適用于電廠現場。當構件不便熱處理時，可采用奧氏體焊材。它的焊縫金屬為奧氏體組織，具有較高的塑型和韌性，能融入較多的固溶氫，在一定程度上限制了擴散氫在缺陷內部聚集，低溫條件下有H+H→H2的反應，減少了焊縫擴散氫含量，降低接頭形成冷裂的傾向。但奧氏體焊縫強度與母材不匹配，故選用奧氏體焊材時，同時要考慮母材稀釋的影響。綜合各方面因素，現場選擇GB E318V-15（CHS237）焊條，它是低碳Cr18Ni12Mo2V不銹鋼焊條，由于熔敷金屬含V，故具有良好的耐熱性和抗裂性。

4.2.2 工藝參數：焊條烘干溫度：250℃～300℃，時間2h；電流極性：直流反接；電流范圍：80～180A；碳弧氣刨：速度0.5～1.0m/min；氣刨電流250～350A。

4.3 裂紋清理

4.3.1 阻止裂紋延伸。對于較長的裂紋，通常用碳弧氣刨來增加裂紋清理效率。若氣刨過程中裂紋仍在延伸，必須在裂紋尾部10cm打止裂孔，孔深比裂紋深4～6mm。碳弧氣刨容易產生高硬度滲碳層，所以經氣刨后的坡口要風動砂輪機打磨至露出金屬本澤。

4.3.2 坡口及裂紋清理。（1）對于非貫穿型裂紋，對裂紋進行氧-乙炔火焰預熱，預熱溫度在40℃～60℃之間。碳棒與葉片夾角為30°～45°。刨出U型坡口，進行滲碳層打磨，坡口必須經滲透檢測。確認裂紋清理干凈后方可進行焊接；（2）對于貫穿型裂紋，先在迎水面對裂紋進行清除1/3葉片深度并開U型坡口（圖1），打磨滲碳層，進行多層多道焊。待迎水面坡口堆焊完成，驗收合格后，再對背水面剩余2/3深度的裂紋進行清理，同樣開U型坡口，打磨滲碳層后經滲透檢測，確認裂紋全部清理完，方可開始背水面的焊接。

4.4 補焊步驟

4.4.1 用氧-乙炔火焰預熱坡口，溫度為80℃～150℃，范圍為坡口兩側各10cm，預熱時來回移動火焰，使其受熱均勻。

4.4.2 保溫筒中取出CHS237焊條進行坡口打底焊。焊接時層間溫度控制在120℃～200℃之間。焊接完成或中途停焊和停焊后重新起焊都要對焊縫和母材進行加溫到80℃～150℃。

4.4.3 坡口填充焊時每層焊縫都需要用風鏟或小錘錘擊，以清除焊渣、釋放焊接內應力。

4.4.4 焊接長度在200mm以上的，采用分段退焊方法，該焊接手法可以大幅消減焊接接頭高應力區域。焊接順序采用先焊兩端后焊中間的方法（圖2）。該焊接順序可以起到降低焊接危險區域的拉應力峰值的作用。

4.4.5 對止裂孔進行補焊，待所有補焊完成后，對焊縫進行打磨修平。為避免漏檢冷裂紋，選擇在焊后24h后進行無損，若發現超標缺陷，繼續進行清理補焊。

4.4.6 對焊縫進行拋光處理，保證葉片與上冠、下環焊接R角的同時，對于葉片出水邊靠上冠、下環焊縫處的棱角，打磨成圓弧過渡（約R2～R3），以減少應力集中。

5 三角補強筋處理

針對大東江3號機組上冠出水邊裂紋頻發的情況，東江水電廠和轉輪廠家聯合設計了一套轉輪葉片三角補強方案，該方案主要通過徹底清除裂紋頻發位置，增焊補強筋來達到抑制裂紋的目的。

5.1 刨除補強位置

利用補強筋的標準尺寸，對裂紋頻發的上冠出水邊區域進行標記畫線，通過碳弧氣刨槍清理出三角區域，清理滲碳層，打磨出標準坡口，利用無損檢測確認坡口位置無裂紋等缺陷。

5.2 補焊三角補強筋

將補強筋裝配好，利用上述焊接工藝來對補強筋進行補焊，同時補焊時要隨時進行錘擊來釋放焊接接頭內應力。補焊完成后對焊縫進行打磨拋光，補焊凹點。最后進行無損檢測，若出現超標缺陷則繼續返修。

6 結論與建議

（1）在條件允許的情況下，盡可能返廠進行熱焊修復。即使只能冷焊處理時，也要嚴格遵守現場施工工藝；（2）一些復發性裂紋，由于母材經多次焊接，導致內部成分復雜，所以歷年來占葉片裂紋的主導位置，但經過2013年三角補強工藝后可看出，該工藝對復發性裂紋有一定的效果，可以為今后復發性裂紋的處理提供一定依據；（3）大東江3號機組三角補強筋工藝未改變葉片上冠出水邊的結構（設計人員認為該區域結構與卡門渦現象無關），僅僅去除原葉片裂紋頻發修焊區域并用同材料三角補強筋修復葉片，根據處理效果來看，不是很理想。而其他3臺后續改造的機組葉片厚度稍有增加則裂紋控制情況大為改善。可見，改造后的大東江機組轉輪上冠與出水邊結構設計是控制裂紋產生的關鍵點之一。

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作者簡介：吳壽濤（1988-），男，湖南省東江水力發電廠助理工程師，研究方向：水電金屬部件的焊接維護與監督。

（責任編輯：秦遜玉）