軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉樞軸裂紋的處理

祁康全，張廣華，顧平良

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江 麗水 323000）

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉樞軸裂紋的處理

祁康全，張廣華，顧平良

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠(chǎng)，浙江 麗水 323000）

通過(guò)對(duì)石塘水電站1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪3號(hào)槳葉樞軸的裂紋分析，確定了裂紋清除、焊前預(yù)熱溫度、焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理溫度、保溫時(shí)間等工藝方案，并嚴(yán)格控制各階段工藝過(guò)程。成功地完成了槳葉樞軸裂紋缺陷處理，為處理類(lèi)似設(shè)備缺陷積累了經(jīng)驗(yàn)。

軸流轉(zhuǎn)槳；槳葉樞軸；裂紋處理

1 設(shè)備概況

石塘水電站位于浙江省云和縣，系甌江流域大溪支流的第二級(jí)電站。電站總裝機(jī)3臺(tái)，單機(jī)容量為2.6萬(wàn)kW，年發(fā)電量1.89億kW·h，以發(fā)電為主兼顧航運(yùn)，電站并入電網(wǎng)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)部份峰荷，并以航運(yùn)流量約50 m3／s作為基荷運(yùn)行。

石塘電站水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，單個(gè)轉(zhuǎn)輪共有5張葉片，設(shè)備由杭州發(fā)電設(shè)備廠(chǎng)生產(chǎn)。投產(chǎn)時(shí)間為1990年，水輪機(jī)型號(hào)為ZZ500-LH-420，出力為2.68萬(wàn)kW·h，設(shè)計(jì)水頭為22.2 m，設(shè)計(jì)流量為139 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為150r/min，吸出高度HS為5.80m。轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù)為5張，最大槳葉轉(zhuǎn)角為30°，槳葉材料為ZG0Cr13Ni4CuMo。葉片相關(guān)尺寸見(jiàn)圖1.

圖1槳葉結(jié)構(gòu)示意

2 槳葉樞軸裂紋情況

在石塘電站1號(hào)機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性大修過(guò)程中，檢查發(fā)現(xiàn)3號(hào)葉片進(jìn)行外觀檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)樞軸中段存在裂紋，出現(xiàn)在葉片的正面方位。隨后立即進(jìn)行無(wú)損探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，3號(hào)槳葉樞軸拐臂段（φ330 mm段）存在長(zhǎng)度為100 mm，平均深度為27 mm的裂紋，其走向與樞軸中心線(xiàn)呈55°，見(jiàn)圖2。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)在3號(hào)槳葉樞軸裂紋處鉆孔，發(fā)現(xiàn)裂紋深度超過(guò)20 mm，與無(wú)損探傷結(jié)果吻合。按照CCH70-3《水力機(jī)械鑄鋼件檢驗(yàn)規(guī)范》和GB7233《鑄鋼件超聲探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》中超聲波探傷技術(shù)條件考核，此類(lèi)缺陷的鑄鋼件是不能接受的，認(rèn)定裂紋缺陷嚴(yán)重。

圖2槳葉樞軸PT照片

由于槳葉樞軸裂紋深度較深和較長(zhǎng)，又在φ330段分半鍵邊，屬于受剪切力影響區(qū)，同時(shí)咨詢(xún)相關(guān)專(zhuān)家，認(rèn)為樞軸裂紋必須去除干凈并處理合格。從裂紋發(fā)展情況分析，簡(jiǎn)單修復(fù)影響設(shè)備運(yùn)行，設(shè)備何時(shí)損壞難以確定，因此決定外送專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)廠(chǎng)家處理。

3 槳葉樞軸裂紋的實(shí)際深度

槳葉送廠(chǎng)家以后，處理單位為探明的裂紋長(zhǎng)度與深度制訂了樞軸裂紋的處理方案，并按方案進(jìn)一步處理。

1）首先對(duì)樞軸拐臂處進(jìn)行PT探傷檢查，找出裂紋位置和深度；

2）通過(guò)上鏜床或磨光機(jī)手工打磨等金加工方式，清除裂紋后再次進(jìn)行探傷檢查，沒(méi)有裂紋后再進(jìn)入下一道工序。

在處理過(guò)程中，當(dāng)用砂輪機(jī)開(kāi)出坡口至25 mm深時(shí)，PT（著色劑探傷，以下同）檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋還有，結(jié)合UT（超聲波探傷，以下同）檢查，檢查結(jié)論為裂紋深度65 mm，且長(zhǎng)度較長(zhǎng)及走向復(fù)雜，確定裂紋較深且樞軸內(nèi)部存在較多缺陷。

繼續(xù)用金加工工藝去除裂紋。去除裂紋所用車(chē)床為數(shù)顯落地鏜床，用鏜床每挖去5 mm深度，立即用PT檢查裂紋是否存在。第三天時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋深度已超過(guò)80 mm，超出預(yù)計(jì)65 mm的深度；繼續(xù)去除裂紋，當(dāng)PT檢查無(wú)裂紋時(shí)，φ330段裂紋深度為150 mm。最后裂紋尺寸為最深：150 mm，沿圓周向長(zhǎng)210 mm，沿軸向長(zhǎng)182 mm。

4 槳葉裂紋成因分析

轉(zhuǎn)輪槳葉系澆鑄部件，單張槳葉重達(dá)1 982 kg，形狀較為復(fù)雜，樞軸段的結(jié)構(gòu)與功能基本如下：直徑220 mm段及直徑390 mm段為限位軸承段，裂紋存在的主要區(qū)域?yàn)闃~的操作區(qū)域，與操作機(jī)構(gòu)的拐臂配裝，運(yùn)行時(shí)根據(jù)負(fù)荷情況調(diào)整葉片開(kāi)度，直徑630段為葉片動(dòng)密封段。出現(xiàn)裂紋部位的槳葉操作區(qū)域，是結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中區(qū)域，承受機(jī)組運(yùn)行時(shí)葉片離心力所形成的拉應(yīng)力、葉片重力及軸向水推力產(chǎn)生彎應(yīng)力及葉片操作及葉片沿周向不均勻受力產(chǎn)生的扭應(yīng)力，由于工況不同，受水力不平衡及汽蝕情況的影響，該區(qū)域承受交變應(yīng)力。

在水市場(chǎng)中有四類(lèi)主體一個(gè)平臺(tái)：四類(lèi)主體是水權(quán)需求者、水權(quán)持有者、政府和社會(huì)，相應(yīng)關(guān)系是橫向反映市場(chǎng)主體供求關(guān)系，即水權(quán)需求者與持有者的關(guān)系；縱向反映政府與市場(chǎng)和社會(huì)的關(guān)系。一個(gè)平臺(tái)是水市場(chǎng)，是處于系統(tǒng)的核心，作為中介，為水權(quán)需求者和持有者提供交易平臺(tái)。

由于樞軸的結(jié)構(gòu)尺寸較大，鑄造時(shí)，中心部分結(jié)構(gòu)疏松，晶粒粗大，強(qiáng)度低，極易產(chǎn)生鑄造缺陷。查閱該設(shè)備出廠(chǎng)記錄及已往的檢修記錄，該處沒(méi)有存在裂紋的記錄。因此，可以判定該裂紋為鑄造時(shí)產(chǎn)生的微裂紋或其他缺陷，在長(zhǎng)期受復(fù)雜外力的作用下擴(kuò)展延伸至表面的。

5 補(bǔ)焊

采用手工電弧焊，采取焊前預(yù)熱，焊后退火的消除焊接應(yīng)力措施。

（1）焊接前測(cè)量及焊接區(qū)域修形。焊接前對(duì)葉片翼形進(jìn)行測(cè)量，以備核驗(yàn)在焊接及加熱過(guò)程中的變形量；由于焊接深度大，并且金加工后存在焊接死角，有必要對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行修形，有利于現(xiàn)場(chǎng)焊接及保證焊接質(zhì)量。

（2）預(yù)熱。對(duì)葉片除堆焊區(qū)域外都用石棉布、石棉紙包裹，施工采用加熱保溫方式，采用電爐預(yù)熱，電爐加熱時(shí)升溫速度不大于60℃/h。升溫至200℃后并保持不小于1 h，出爐進(jìn)行焊接（見(jiàn)圖3）。

圖3槳葉預(yù)熱溫度變化曲線(xiàn)圖

（3）焊接。采用手工電弧焊，調(diào)整焊接電流在80～120 A之間，槳葉本身材質(zhì)為馬氏體，為了保證補(bǔ)焊質(zhì)量，而采用了熔合性較好的奧氏體焊條；焊接過(guò)程中，控制道寬7～8 mm，層間厚度2～3 mm。采用船形焊接的方法進(jìn)行焊接，焊接的方向?yàn)闄M向焊接，避免焊縫的縱向收縮引起軸頭的變形，控制工件溫度在100～200℃之間，控制層間溫度200℃；在焊接區(qū)附近覆蓋防飛渣涂料。焊接過(guò)程中，在樞軸軸頭安裝百分表監(jiān)測(cè)變形量，隨時(shí)監(jiān)視百分表的讀數(shù)，控制軸頭的變形量不大于0.2 mm，如變形量過(guò)大則中斷焊接，待百分表的讀數(shù)小于0.1 mm后再行焊接；每焊完一層，用風(fēng)鏟和鋼刷進(jìn)行焊道清理，清理后用錘擊的方法消除焊接應(yīng)力。焊接中斷及焊接過(guò)程中工件溫度小于100℃，葉片整體進(jìn)爐加熱，保溫的同時(shí)對(duì)焊縫進(jìn)行了200℃的去氫處理。

（4）退火。為了較徹底地消除槳葉在補(bǔ)焊中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力，補(bǔ)焊完畢后，將槳葉用石棉材料包裹，放入回火爐內(nèi)進(jìn)行了退火處理。整個(gè)葉片回爐加熱至300℃，電爐加熱時(shí)升溫速度不大于60℃/h，保溫不小于8 h，然后隨爐冷卻至100℃后出爐自然冷卻至室溫。退火過(guò)程溫度控制嚴(yán)格按照退火工藝曲線(xiàn)進(jìn)行，見(jiàn)圖4。

6 精加工

圖4槳葉焊后熱處理溫度變化曲線(xiàn)圖

（1）修形。在葉片端焊中心孔塊，并劃線(xiàn)。槳葉上鏜床加工葉片端及樞端中心孔。以直徑630 mm端面將葉片找平后，以630 mm圓周面找正樞端中心孔，直徑390 mm圓周面作為校核面。葉片端焊中心孔以劃線(xiàn)鉆出，以車(chē)床實(shí)際讀數(shù)調(diào)出中心。調(diào)整后各樞軸檔尺寸如表1所示。在此尺寸下，直徑220 mm段實(shí)際變形量為1.25 mm，實(shí)際加工量為1.5 mm。精車(chē)直徑220 mm段后，直徑390 mm、直徑330 mm圓周面及直徑390 mm端面加工至離表面0.20 mm左右（不破壞本體為原則），最后用砂輪機(jī)磨出各表面。

（2）修后探傷。金加工后，再次對(duì)樞軸焊接面、熱影響區(qū)、擴(kuò)大影響區(qū)及槳葉根部超聲波探傷及表面探傷檢查，補(bǔ)焊部分合格。在直徑330 mm與直徑390 mm過(guò)渡段（熱影響區(qū)）存在較淺的局部裂紋，隨之進(jìn)行去除裂紋并修補(bǔ)處理，再次探傷檢查均合格。在這一缺陷區(qū)域的其他區(qū)域，仍存在細(xì)小缺陷，但未達(dá)到評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）外形尺寸檢查。重新測(cè)量葉片的翼形尺寸，變形量小于標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)樞軸各工作面進(jìn)行復(fù)核，各實(shí)測(cè)尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1樞軸各工作面實(shí)測(cè)尺寸

7 修后檢驗(yàn)和專(zhuān)家意見(jiàn)

金加工后，焊接面、熱影響區(qū)、擴(kuò)大影響區(qū)及槳葉根部PT、UT檢查。UT檢查，補(bǔ)焊部分合格。φ330～φ390過(guò)渡段存在局部裂紋，隨之進(jìn)行去除裂紋并修補(bǔ)處理，處理后經(jīng)PT檢查合格。

樞軸檢修結(jié)束后，對(duì)本次的樞軸處理影響進(jìn)行了會(huì)商與討論，形成了一致意見(jiàn)：

（1）對(duì)鑄鋼件，裂紋深度超過(guò)軸徑1/3，屬報(bào)廢品，本次修復(fù)屬挽救性處理，因此補(bǔ)焊后，部件實(shí)際材質(zhì)難于保證原材質(zhì)本身所提供的技術(shù)保證；

（2）由于槳葉樞軸本身的材質(zhì)為ZG00Cr13Ni4 CuMo，材料中含銅，補(bǔ)焊過(guò)程影響材料性能（銅元素晶界偏析）；槳葉本身材質(zhì)為馬氏體，為了保證補(bǔ)焊質(zhì)量，而采用奧氏體焊條，補(bǔ)焊體本身材質(zhì)明確，質(zhì)量可靠，但由于補(bǔ)焊接面積過(guò)大、深度過(guò)深，因此熱影響區(qū)的材質(zhì)變化較大，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）槳葉修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到平衡，影響設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合各方意見(jiàn)，槳葉可以投入運(yùn)行，保守估計(jì)能使用1～2年，設(shè)備實(shí)際使用壽命難以確定，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)和不確定性越大，且對(duì)該處缺陷的發(fā)展情況無(wú)法檢查和監(jiān)測(cè)，應(yīng)及早做好相關(guān)更換槳葉準(zhǔn)備。

8 修后應(yīng)用情況

槳葉安裝到位后，與槳葉拐臂配裝合格，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，與樞軸銅套（滑動(dòng)軸承）配裝合格，與“λ”形葉片密封配裝合格，安裝后做滲漏試驗(yàn)密封圈處無(wú)滲漏，說(shuō)明整個(gè)處理過(guò)程中槳葉樞軸變形控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。機(jī)組大修后，經(jīng)過(guò)3年時(shí)間的運(yùn)行，情況正常，在隨后的機(jī)組A級(jí)檢修中，解體檢查該葉片，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋。

9 結(jié)論

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的槳葉是水輪機(jī)的核心部件，樞軸存在的裂紋其深度達(dá)直徑的一半，對(duì)現(xiàn)在的加工制造水平認(rèn)為屬于報(bào)廢品，無(wú)修復(fù)必要，因此在處理時(shí)也找不到相似的處理經(jīng)驗(yàn)，本次槳葉樞軸裂紋的成功修復(fù)對(duì)相似的水輪機(jī)缺陷處理具有一定的參考與借鑒意義。

槳葉裂紋處理首先是應(yīng)慎重，盡量借用無(wú)損檢測(cè)手段確定深度與裂紋的走向；其次，去除裂紋應(yīng)用金加工等冷處理手段，如本次裂紋如為了加快速度而用碳弧氣刨，則裂紋可能貫穿樞軸；第三，對(duì)焊接材料選用奧氏體焊條，同時(shí)在焊接時(shí)做好保溫和消氫，適當(dāng)控制變形是一個(gè)比較合適的方案。

[1]李承福，岳德山，張宏濤.電加熱器預(yù)熱在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接中的應(yīng)用[J].大型鑄鍛件，2009（6）：23-24.

[2]劉敏.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的焊接修復(fù)[J].科技傳播，2012（11）：182-183.

TK733+.5

B

1672-5387（2017）11-0034-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.013

2017-08-30

祁康全（1968-），男，工程師，從事水電廠(chǎng)水動(dòng)檢修技術(shù)管理工作。