水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋分析與修復(fù)

【摘要】轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)能量傳輸?shù)闹匾d體，轉(zhuǎn)輪葉片氣蝕裂紋對機(jī)組的長周期安全運(yùn)行有至關(guān)重要的作用。本文通過對轉(zhuǎn)輪氣蝕、裂紋、磨損成因、一般規(guī)律及特點(diǎn)之間的關(guān)系，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，對產(chǎn)生裂紋的原因加以分析，科學(xué)合理的制定檢修方式并修復(fù)，使機(jī)組得到良好運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)輪；葉片裂紋；應(yīng)力；裂紋分析；修復(fù)

水電廠設(shè)備的損壞一般分兩種：一是事故損壞，二是：經(jīng)常性損壞。前者發(fā)生的概率小，不決定檢修周期；而后者在特定的運(yùn)行過程中，由于各種因素導(dǎo)致在運(yùn)行過程中損壞，尤其是水輪機(jī)各運(yùn)行構(gòu)件間的轉(zhuǎn)動(dòng)、摩擦、水流產(chǎn)生空腔氣蝕、金屬疲勞產(chǎn)生裂縫，含泥沙水流對轉(zhuǎn)輪葉片表面沖刷、磨損、腐蝕等。因此，探尋水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因，采取優(yōu)化此類現(xiàn)象和改進(jìn)措施解決葉片的裂縫問題，能為水電廠設(shè)備的點(diǎn)檢、定修提供信息和依據(jù)，使電廠設(shè)備在可靠性、維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性上達(dá)到優(yōu)化管理。

1、裂縫產(chǎn)生的部位及特點(diǎn)；

轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊，轉(zhuǎn)輪葉片存在四個(gè)高應(yīng)力區(qū)，位置在葉片進(jìn)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(huán)連接區(qū)。

裂紋通常發(fā)生在出水邊側(cè)與下環(huán)之間的焊接接頭處，主要有以下幾種：

（1）焊縫和母材的交界處，裂紋走向與焊縫縱向平行，一般由焊縫表面開始，向母材的深處延伸。

（2）焊縫根部的最大應(yīng)力集中處，裂紋可能發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，或焊縫內(nèi)，這決定于母材和焊縫的強(qiáng)度，塑性以及根部的形狀。

（3）出水邊圓R處，這種裂紋常發(fā)生在淬火時(shí)，硬度傾向大的區(qū)間內(nèi)，一般情況下裂紋的取向與溶合線平行，也有垂直溶合線的。

2、裂紋產(chǎn)生的因素及原因；

2.1應(yīng)力集中

（1）轉(zhuǎn)輪在制造時(shí)焊接材料選用與母材化學(xué)成分相似的馬氏體HS13-5的焊絲，淬硬傾向大，在熱力不平衡情況下，形成大量晶格缺陷。晶格缺陷主要是空位，而在相變應(yīng)力的作用下可產(chǎn)生較多位錯(cuò)。

（2）焊接過程中，電弧的高溫作用，氫分解成原子或離子（質(zhì)子）并溶解于溶池，在冷卻和凝固時(shí)，溶解度急速下降，氫逸出，而焊接冷卻速度較快，氫不能及時(shí)逸出焊接外部，而聚集在焊縫的金屬內(nèi)部，氫便以過飽合狀態(tài)殘存于馬氏體內(nèi)，聚集在晶格缺陷內(nèi)或應(yīng)力集中處，當(dāng)氫的濃度增高和下降時(shí)，有些氫原子結(jié)合成分子，在有缺陷和應(yīng)力集中處造成很大局部應(yīng)力及焊接熱應(yīng)力和相變的組織應(yīng)力的共同作用，使這個(gè)區(qū)域具備產(chǎn)生裂紋的條件。

2.2鑄造焊接缺陷

鑄造氣孔、砂眼會在外部力量影響下產(chǎn)生裂紋源形成裂紋，是因?yàn)槿~片與上冠、下環(huán)較厚，冷卻過程易產(chǎn)生縮孔，在鑄造時(shí)，若焊接工藝不正確，或不按工藝進(jìn)行焊接，裂紋將在焊接、受熱影響區(qū)產(chǎn)生。

2.3工作運(yùn)行原因

當(dāng)機(jī)組長期在低負(fù)荷、超負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，也會導(dǎo)致葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，或使裂紋劣化。

3、裂紋的檢查方法

為及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋消除隱患，用放大鏡或肉眼進(jìn)行外觀檢查，細(xì)小或內(nèi)部缺陷應(yīng)進(jìn)行無損傷檢查。通常采用以下幾種：1、超聲波檢測 2、滲透探傷 3、磁粉探傷 4、射線檢測、5金屬磁記憶、渦流探傷等。

4、裂紋的處理方法

4.1加工止裂孔

在裂紋兩端打≤∮6mm止裂孔，如發(fā)現(xiàn)紋路有發(fā)展趨勢可追加止裂孔數(shù)量，孔深比裂紋深度長4—6mm。

4.2補(bǔ)焊：對稱分步施焊

4.2.1同種材料熱焊特點(diǎn)；

工藝復(fù)雜，焊前及焊后要進(jìn)行預(yù)熱，焊接條件差，但補(bǔ)焊效果好。

4.2.2奧氏體焊條冷焊特點(diǎn)：

工藝簡單，工期短，不預(yù)熱，焊縫塑性好，焊接時(shí)不發(fā)生相變，減少應(yīng)力和變形，工藝簡化，缺點(diǎn)是焊縫區(qū)冷卻快，產(chǎn)生淬硬組織，對補(bǔ)焊接頭的性能有不利影響。

4.2.3.二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊特點(diǎn)：

焊接成本低，埋弧焊的40%-60%，生產(chǎn)效率高。是焊條電弧焊的1-4倍。操作簡單，焊接厚度不受限制。焊縫含氫、氮量低，變形5‰，不平度3‰

4.3補(bǔ)焊裂紋前的注意事項(xiàng)

4.3.1 清理裂紋、開坡口

要使用的工具是：風(fēng)鏟、炭弧氣刨.兩者各有所長，風(fēng)鏟坡口規(guī)則，焊接質(zhì)量好，但工作強(qiáng)度大，速度慢，處理裂紋深度有限。氣刨可多次處理較深的裂紋，速度快。

4.3.2.坡口形狀

采用坡口的形狀要根據(jù)轉(zhuǎn)輪變裂情況、產(chǎn)生的部位及人員施焊、風(fēng)鏟便利而決定。

5、補(bǔ)焊的幾種處理方法：

5.1轉(zhuǎn)輪整體熱處理加焊補(bǔ)

它的主要特點(diǎn)是：常規(guī)焊接補(bǔ)焊后，對整個(gè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行熱處理加工。改善裂紋修復(fù)后的金屬結(jié)構(gòu)性能、降低焊接形成的殘余內(nèi)應(yīng)力、提高裂紋補(bǔ)焊后金屬抗疲勞性能，缺點(diǎn)是，進(jìn)行熱處理的設(shè)施體積較大，現(xiàn)場需要空間大，只適用于專業(yè)部門對轉(zhuǎn)大轉(zhuǎn)輪的處理，一般的水電廠無法進(jìn)行。

5.2局部熱處理加補(bǔ)焊：只適用較小轉(zhuǎn)輪的裂紋修復(fù)。

通常指按照常規(guī)焊接工藝進(jìn)行焊接后，對補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行局部熱處理。局部熱處理能改善和降低焊縫應(yīng)力分布、降低焊接應(yīng)力峰值，但對焊接接頭整體殘余應(yīng)力水平降低效果卻并不明顯，且處理現(xiàn)場使勞動(dòng)人員的工作條件惡化，熱處理設(shè)施在現(xiàn)場的布置，也會影響焊接質(zhì)量。

5.3不加熱處理補(bǔ)焊

是指不采用熱處理設(shè)備進(jìn)行真正意義上的加熱處理，只在焊接修復(fù)過程中，通過現(xiàn)場加熱器適當(dāng)進(jìn)行溫度控制。這種裂紋修復(fù)方法，減少了現(xiàn)場工作量小，勞動(dòng)條件較好，對提高補(bǔ)焊質(zhì)量帶來好處，。缺點(diǎn)是，補(bǔ)焊后焊縫有聚積有高應(yīng)力，對接頭的疲勞壽命有負(fù)面影響。

6、結(jié)語：

近年來，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片裂紋頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅水電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要在機(jī)組大修時(shí)對應(yīng)力集中等易產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行無損傷檢查，對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行探究，采用合理、科學(xué)的手段進(jìn)行調(diào)控，對發(fā)現(xiàn)的缺陷及時(shí)處理，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬慶增，闞偉民.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析及處理[J].廣東電力，2003（06）：70-72.

[2]薛偉，陳昭運(yùn).水輪機(jī)葉片裂紋原因及預(yù)防措施研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2002（05）：42-45.