600MW混流式水輪機(jī)活動導(dǎo)葉裂紋原因分析及處理

鄭建民，敬燕飛，鄧 韜，李金偉

（1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610041；2.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源625300；3.國電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司成都分公司，四川 成都610073；4.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

1 概述

瀑布溝水電站裝有6臺600MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定出力611MW，額定轉(zhuǎn)速125r/min，額定流量435m3/s。每臺機(jī)組安裝24個活動導(dǎo)葉，沿圓周均布，導(dǎo)葉體高1525mm，寬1120mm，導(dǎo)葉具有三個支撐軸頸，導(dǎo)葉軸瓦采用聚甲醛鋼背復(fù)合材料，自潤滑，分別安置于底環(huán)和頂蓋上。

活動導(dǎo)葉是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的重要部件，起到控制進(jìn)水流量和截斷水流的作用，從而影響水輪機(jī)的運(yùn)行性能與發(fā)電效率。在機(jī)組運(yùn)行中活動導(dǎo)葉承受很大的水作用力，這就要求活動導(dǎo)葉具有足夠的強(qiáng)度、剛度、抗沖磨、抗汽蝕等性能。大型水輪機(jī)活動導(dǎo)葉尺寸和重量大，通常采用整鑄成型后精加工方式制造，而活動導(dǎo)葉鑄造缺陷在長時間復(fù)雜水力作用下，容易成為裂紋源并產(chǎn)生貫穿性裂紋，導(dǎo)致活動導(dǎo)葉損壞，進(jìn)而造成機(jī)組振動擺度增大、損毀轉(zhuǎn)輪、事故停機(jī)等事故，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 活動導(dǎo)葉裂紋概況

2015年6 號機(jī)組停機(jī)檢修時發(fā)現(xiàn)19個活動導(dǎo)葉（2號、4號、6號、7號、9～19號、21～24號）共存在134處裂紋。對裂紋按照探傷預(yù)檢驗(yàn)、裂紋區(qū)域確認(rèn)、導(dǎo)葉端面間隙防護(hù)、打磨清理、清根確認(rèn)、焊接預(yù)熱、多層多道焊、焊接應(yīng)力消除、焊接區(qū)域保溫、焊接修磨、流線修型工藝等流程進(jìn)行了現(xiàn)場處理，并且補(bǔ)焊區(qū)域處理后經(jīng)無損檢測合格。

2016年6 號機(jī)組停機(jī)檢修時對裂紋區(qū)域再次進(jìn)行宏觀與無損檢測復(fù)查，發(fā)現(xiàn)前次修補(bǔ)活動導(dǎo)葉中仍有 9個（6號、10號、12號、14號、15號、18號、19號、23號、24號）共存在21條裂紋，最長達(dá)180mm，5條為新增，其余16條中的12條離上次修復(fù)裂紋位置較近，如圖1所示。值得注意的是，在2015年和2016年兩次停機(jī)檢查中1號、3號、5號、8號、20號活動導(dǎo)葉均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 6號機(jī)組活動導(dǎo)葉裂紋情況（2016年）

3 裂紋原因分析

查閱大量的文獻(xiàn)可知，近些年混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋屢見不鮮，國內(nèi)如三峽、天生橋一級、劉家峽、巖灘、李家峽、二灘、漫灣、五強(qiáng)溪等水電站[1-5]，國外如美國大古力、巴基斯坦塔貝拉、美國CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原蘇聯(lián)布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克、俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克、緬甸太平江等水電站[5-6]均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪裂紋，嚴(yán)重影響了電站的經(jīng)濟(jì)效益，對設(shè)備安全運(yùn)行帶來重大隱患。此外，混流式水輪機(jī)固定導(dǎo)葉也有因卡門渦激振導(dǎo)致裂紋發(fā)生的實(shí)例[7]，相對而言，活動導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋則極少見于公開報道。

3.1 材質(zhì)

6號機(jī)組活動導(dǎo)葉材質(zhì)為ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼，采用電爐冶煉，砂型鑄造。該鋼是在Cr13馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過大幅度降低含碳量，同時將鎳的含量控制在4%～6%范圍內(nèi)，并加入少量的合金元素Mo而形成的。該鋼除具有一定的耐腐蝕性能外，還有良好的強(qiáng)度、韌性、可焊性以及耐磨性。

3.2 合金成分分析

使用XRF便攜式射線熒光光譜儀對出現(xiàn)裂紋的活動導(dǎo)葉合金成分進(jìn)行抽查，結(jié)果如表1所示，可知活動導(dǎo)葉合金成分符合要求。

表1 活動導(dǎo)葉合金成分抽查結(jié)果

3.3 金相組織檢驗(yàn)

圖2顯示了24號、6號活動導(dǎo)葉母材的金相組織，圖3顯示了裂紋處的顯微組織，可以看出：金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示組織為回火馬氏體+δ-鐵素體，出現(xiàn)裂紋的活動導(dǎo)葉中含有大量粗大并具一定位相的δ-鐵素體組織，其含量超過15%。活動導(dǎo)葉裂紋呈沿晶形式，在δ-鐵素體與回火馬氏體的相界面存在微裂紋。

圖2 24號、6號活動導(dǎo)葉母材金相組織

圖3 活動導(dǎo)葉裂紋顯微組織

3.4 原因分析

查詢活動導(dǎo)葉供貨資料并將爐號、導(dǎo)葉編號及化學(xué)成分對應(yīng)，并按照舍夫勒組織圖計(jì)算每個活動導(dǎo)葉的鉻當(dāng)量（Creq）、鎳當(dāng)量（Nieq），如圖4 和表 2所示。

圖4 舍夫勒組織圖

表2 活動導(dǎo)葉成分及鉻、鎳當(dāng)量

根據(jù)中科院金屬所在三峽轉(zhuǎn)輪材料研制過程中通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)圖，鎳鉻當(dāng)量比（Nieq/Creq）低于0.42時，鋼種出現(xiàn)δ-鐵素體的幾率增大。

圖5 Nieq/Creq與δ相的統(tǒng)計(jì)圖

表3顯示了裂紋出現(xiàn)次數(shù)較多的活動導(dǎo)葉的鎳鉻當(dāng)量比，可見均小于0.42。

表3 裂紋出現(xiàn)次數(shù)較多的活動導(dǎo)葉的鎳鉻當(dāng)量比

因?yàn)樘岣吡?Cr、Ni含量，ZG06Cr16Ni5Mo在Ac1溫度附近回火，部分馬氏體會較易重新轉(zhuǎn)變成奧氏體，這類奧氏體稱為逆變奧氏體。逆變奧氏體細(xì)小均勻地分布于馬氏體基體中，在幾乎不降低材料強(qiáng)度的情況下，提高材料的塑性、韌性，并且具有吸氫作用，避免鑄造或焊接時的氫致延遲裂紋。因此，在一定程度上，該鋼的性能由逆變奧氏體決定。但是Cr、Ni含量的提升，特別是Cr含量的提升，而Ni含量提升幅度不大，Nieq/Creq變小導(dǎo)致δ-鐵素體產(chǎn)生，并且隨著Nieq/Creq的減小，δ-鐵素體含量明顯增加，并且在后續(xù)熱加工過程中愈難被消除。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

活動導(dǎo)葉出現(xiàn)裂紋的直接原因是由于冶金因素造成的δ-鐵素體含量過大。由于δ-鐵素體與馬氏體相比為軟質(zhì)相，2種組織硬度差距較大，在交變應(yīng)力作用下，δ-鐵素體無法向馬氏體傳遞應(yīng)力，特別是存在雜質(zhì)相的晶界，往往成為活動導(dǎo)葉的裂紋源。

4.2 建議

對于服役中的活動導(dǎo)葉，必須嚴(yán)格控制修補(bǔ)工藝，并定期進(jìn)行宏觀檢查和無損檢測，特別是對鎳鉻當(dāng)量比低于0.42的活動導(dǎo)葉重點(diǎn)抽檢。

如有條件，建議更換所有活動導(dǎo)葉。對于鎳鉻當(dāng)量比低的活動導(dǎo)葉，應(yīng)重點(diǎn)記錄，以便后續(xù)跟蹤檢查，同時對新導(dǎo)葉開展全面的無損檢測，防止原生裂紋在運(yùn)行中逐步發(fā)展。