對某水電廠某號機組轉輪葉片裂紋檢測及分析

(云南電力技術有限責任公司 云南 昆明 650217)

對某水電廠某號機組轉輪葉片裂紋檢測及分析

羅駿

(云南電力技術有限責任公司云南昆明650217)

目前，國內外水電廠水輪機轉輪葉片裂紋問題較為突出，由于各種原因，一直沒有很好的解決方案，嚴重危害了水電站機組的安全可靠。在每次機組檢修金屬檢驗技術服務中，轉輪葉片情況是每次檢驗的重中之重。受水質、工作條件、機組運行情況、材質等因素影響，轉輪葉片出現裂紋缺陷的現象也是屢見不鮮。本文以某電廠某號機組出現的缺陷情況，進行裂紋檢驗及分析。

水電廠；轉輪葉片；裂紋檢測

一、前言

滲透檢測是一種以毛細作用原理為基礎的檢查表面開口缺陷的無損檢測方法。滲透檢驗的工作原理是：將含有熒光劑或者著色劑的滲透劑施涂于被檢工件表面，在一定時間之后，滲透劑會滲入表面開口的缺陷中；除去表面多余的滲透劑，干燥后，在工件表面施涂顯像劑，在毛細作用下，缺陷中的滲透劑被吸引回滲到顯像劑中，在一定光線條件下，能看到滲透劑顯示痕跡，從而觀察出缺陷形貌[1]。

在實際工作中，滲透檢驗由于其不破壞工件表面，操作簡單，價格低廉，不需要復雜設備，且靈敏度高，缺陷顯示直觀，被廣泛運用于無損檢測中。

某電廠裝機總容量135萬kW，年發電量59.31億kW·h，某號機組于2003年投入使用，額定功率225MW，額定電流9164A，額定電壓15750V，額定頻率50Hz。該電站水輪機轉輪采用了效率較高、空化較好、穩定性方面較優的X型葉片，數量為13塊，下環和葉片采用ZG0Cr13Ni5Mo不銹鋼材料，上冠內部基材為20 MnSi，為異種鋼焊接。

理論上，X型葉片能夠改善尾水管內的壓力脈動，減少尾水管中心渦帶，有利于機組的長期穩定運行。可是由于國內技術還在發展階段，鑄造工藝無法滿足使用需求，質量達不到要求，且國內電廠沒有X型葉片大型轉輪的制造和運行經驗，沒有成熟的運行機制、缺陷預防措施與問題處理方案，所以每年的檢修都會發現許多裂紋。在2017年度的機組檢修中，其12號葉片出現嚴重的掉塊現象，于葉片出水邊存在一塊長970mm寬490mm的掉塊缺陷(見圖1.1)。

圖1.1 掉塊缺陷

二、 轉輪葉片的滲透試驗檢測

(一)滲透檢測工藝。根據標準NB/T 47013.5-2015《承壓設備無損檢測 第5部分：滲透檢測》規定，考慮現場條件的情況下，按靈敏度C級標準，選用水洗型非熒光滲透劑，牌號為Y-ST，鍍鉻試塊為對比試塊，滲透時間20min，干燥時間10min，顯像時間20min。

(二)滲透檢測結果。經滲透檢驗，發現該號機轉輪葉片一共存在23條裂紋缺陷，2號葉片5條，3號葉片4條，8號葉片、13號葉片各3條，12號葉片2條，1號、5號、7號、9號、10號、11號葉片各一條，其中以12號葉片掉塊缺陷尤為嚴重。

(三)檢測結果對比。對上一次檢修期時轉輪檢測結果，發現1號、2號、3號、5號、9號、10號、13號葉片裂紋位置大致相同，且上一次檢測出12號葉片中部、下環端面裂紋位置與本次掉塊缺陷于出水邊斷口位置相同。

三、 水輪機轉輪缺陷產生的原因分析

(一)缺陷產生的原因

1.當葉片自振頻率與出水邊卡門渦頻率耦合而引起共振，使葉片當中應力急劇增加，引起葉片疲勞破壞。從卡門渦頻率公式知，式中Sh為斯特努哈數，W為脫流點平均速度，δ為分離點處尾流寬度，該廠對葉片出水邊進行了改造，減小了出水邊厚度，使流道更加圓滑，使脫流點更接近于出水邊，改變分離點處尾流寬度，使卡門渦震動與葉片自振頻率差異加大，不易于引起共振。

2.尾水管壓力脈動也是產生裂紋的主要原因之一。當機組在較惡劣工況下運行時，由于補氣量不足，無法消除尾水錐管內的真空，會使渦帶在尾水管中生成，渦帶運動干擾水流而引起脈動壓力，這種脈動還可能因渦帶空腔與水體共振而增強[2]。

3.對比前一次結果發現，上一檢修期發現的問題，修復后，在此次檢測中再度出現，并且部分缺陷有所擴展，其原因為：

(1)葉片上冠、下環焊縫在請根后焊接時，由于根部焊縫深且窄，焊槍伸入焊縫內焊接較為困難，焊條可移動空間較小，施焊難免會存在內部缺陷，隨機組運行，缺陷便擴展、放大；

(2)在焊接后，由于條件限制，未對焊縫進行熱處理。由于焊后焊縫及熱影響區的晶粒粗大，殘余內應力較多，通過回火的方式細化晶粒，消除殘余內應力和去氫。

(二)掉塊缺陷綜合分析。對比前一次檢驗結果，掉塊于出水邊斷口位置與前次檢驗發現裂紋位置相同，觀察葉片斷面與掉塊斷面的貝紋線及形貌(見圖3.1)，可以推斷出此次掉塊缺陷產生的過程：在上一次補焊后，由于殘余內應力的作用，再加上機組運行時卡門渦列與壓力脈動產生的交變應力的綜合作用下，使得補焊焊縫葉片出水邊處應力集中的部位產生疲勞裂紋。隨機組運行過程，在水流沖擊力的作用下，葉片受水流方向上的拉應力，兩條裂紋所受拉應力合力分別與葉片垂直方向夾角接近45°，在該力作用下，發生脆性斷裂，以合力點為圓心，相向弧形擴展，最終相交斷裂。

圖3.1 葉片斷面形貌

四、 建議

1)合理規劃機組運行方式，優化運行條件，盡量減少機組在低負荷情況下運行；

2)增大機組補氣量，減少汽蝕的產生，減輕尾水管壓力脈動引起的機組震動；

3)焊接前充分通風干燥，減少空氣濕度，焊接時對待焊部位進行預熱，焊接后采用回火的熱處理方式進行焊后熱處理，消除殘余應力；

4)適當增大焊縫上坡口的寬度，盡量減少因焊接條件惡劣產生的缺陷；

5)焊后對焊接影響區進行認真清理，除去葉片表面的焊渣、飛濺；

6)對缺陷及處理方式進行系統整理。

[1]胡學知.滲透檢測第2版.中國勞動社會保障出版社.2007

[2]尹述鴻.大朝山#1水輪機轉輪裂紋原因分析及處理.水利水電技術第33卷.2002 年第12期

羅駿(1992-)，男，漢族，云南曲靖人，大學本科，就職于云南電力技術有限責任公司。

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