水輪機轉輪裂紋分析與修復

【摘要】轉輪是水輪機能量傳輸的重要載體，轉輪葉片氣蝕裂紋對機組的長周期安全運行有至關重要的作用。本文通過對轉輪氣蝕、裂紋、磨損成因、一般規律及特點之間的關系，根據運行狀態，對產生裂紋的原因加以分析，科學合理的制定檢修方式并修復，使機組得到良好運行。

【關鍵詞】轉輪；葉片裂紋；應力；裂紋分析；修復

水電廠設備的損壞一般分兩種：一是事故損壞，二是：經常性損壞。前者發生的概率小，不決定檢修周期；而后者在特定的運行過程中，由于各種因素導致在運行過程中損壞，尤其是水輪機各運行構件間的轉動、摩擦、水流產生空腔氣蝕、金屬疲勞產生裂縫，含泥沙水流對轉輪葉片表面沖刷、磨損、腐蝕等。因此，探尋水輪機轉輪裂紋產生的原因，采取優化此類現象和改進措施解決葉片的裂縫問題，能為水電廠設備的點檢、定修提供信息和依據，使電廠設備在可靠性、維護性、經濟性上達到優化管理。

1、裂縫產生的部位及特點；

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，轉輪葉片存在四個高應力區，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。

裂紋通常發生在出水邊側與下環之間的焊接接頭處，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）焊縫根部的最大應力集中處，裂紋可能發生在焊接熱影響區，或焊縫內，這決定于母材和焊縫的強度，塑性以及根部的形狀。

（3）出水邊圓R處，這種裂紋常發生在淬火時，硬度傾向大的區間內，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、裂紋產生的因素及原因；

2.1應力集中

（1）轉輪在制造時焊接材料選用與母材化學成分相似的馬氏體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，而在相變應力的作用下可產生較多位錯。

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

2.2鑄造焊接缺陷

鑄造氣孔、砂眼會在外部力量影響下產生裂紋源形成裂紋，是因為葉片與上冠、下環較厚，冷卻過程易產生縮孔，在鑄造時，若焊接工藝不正確，或不按工藝進行焊接，裂紋將在焊接、受熱影響區產生。

2.3工作運行原因

當機組長期在低負荷、超負荷的狀態下運行，也會導致葉片在交變應力作用下產生裂紋，或使裂紋劣化。

3、裂紋的檢查方法

為及時發現裂紋消除隱患，用放大鏡或肉眼進行外觀檢查，細小或內部缺陷應進行無損傷檢查。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，如發現紋路有發展趨勢可追加止裂孔數量，孔深比裂紋深度長4—6mm。

4.2補焊：對稱分步施焊

4.2.1同種材料熱焊特點；

工藝復雜，焊前及焊后要進行預熱，焊接條件差，但補焊效果好。

4.2.2奧氏體焊條冷焊特點：

工藝簡單，工期短，不預熱，焊縫塑性好，焊接時不發生相變，減少應力和變形，工藝簡化，缺點是焊縫區冷卻快，產生淬硬組織，對補焊接頭的性能有不利影響。

4.2.3.二氧化碳氣體保護焊特點：

焊接成本低，埋弧焊的40%-60%，生產效率高。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補焊裂紋前的注意事項

4.3.1 清理裂紋、開坡口

要使用的工具是：風鏟、炭弧氣刨.兩者各有所長，風鏟坡口規則，焊接質量好，但工作強度大，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轉輪變裂情況、產生的部位及人員施焊、風鏟便利而決定。

5、補焊的幾種處理方法：

5.1轉輪整體熱處理加焊補

它的主要特點是：常規焊接補焊后，對整個轉輪進行熱處理加工。改善裂紋修復后的金屬結構性能、降低焊接形成的殘余內應力、提高裂紋補焊后金屬抗疲勞性能，缺點是，進行熱處理的設施體積較大，現場需要空間大，只適用于專業部門對轉大轉輪的處理，一般的水電廠無法進行。

5.2局部熱處理加補焊：只適用較小轉輪的裂紋修復。

通常指按照常規焊接工藝進行焊接后，對補焊區進行局部熱處理。局部熱處理能改善和降低焊縫應力分布、降低焊接應力峰值，但對焊接接頭整體殘余應力水平降低效果卻并不明顯，且處理現場使勞動人員的工作條件惡化，熱處理設施在現場的布置，也會影響焊接質量。

5.3不加熱處理補焊

是指不采用熱處理設備進行真正意義上的加熱處理，只在焊接修復過程中，通過現場加熱器適當進行溫度控制。這種裂紋修復方法，減少了現場工作量小，勞動條件較好，對提高補焊質量帶來好處，。缺點是，補焊后焊縫有聚積有高應力，對接頭的疲勞壽命有負面影響。

6、結語：

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，有必要在機組大修時對應力集中等易產生裂紋的部位進行無損傷檢查，對裂紋產生的原因進行探究，采用合理、科學的手段進行調控，對發現的缺陷及時處理，把事故消滅在萌芽狀態，從而保證機組的安全經濟運行。

參考文獻：

[1]馬慶增，闞偉民.水輪機轉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.水輪機葉片裂紋原因及預防措施研究[J].大電機技術，2002（05）：42-45.