水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析及處理

滿益民

【摘 要】眾所周知，水泵水輪機(jī)是一種抽水蓄能的設(shè)備，現(xiàn)在被大量應(yīng)用在抽水蓄能電站內(nèi)。而水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的重要部位，在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之時(shí)會(huì)產(chǎn)生裂紋，長(zhǎng)久積累其裂紋將會(huì)影響水泵水輪機(jī)的工作效率，轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的主要原因是輪轂與葉片間的過渡區(qū)域不能應(yīng)付高應(yīng)力。本文通過分析水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因，并提出處理方案。

【關(guān)鍵詞】水泵水輪機(jī);水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪;裂紋;原因分析;裂紋處理

水泵水輪機(jī)是上世紀(jì)發(fā)明的用于抽水蓄能的機(jī)械設(shè)備，是抽水蓄能電站的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。近年來，隨著我國(guó)對(duì)清潔能源的重視，大量建設(shè)抽水蓄能電站的數(shù)量，提高抽水蓄電站的生產(chǎn)頻率。但是水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重影響設(shè)備的使用效果。為提高設(shè)備的使用壽命，應(yīng)該詳細(xì)研究水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的裂紋成因，研究裂紋的處理方式。

一、水泵水輪機(jī)概述

水泵水輪機(jī)的主要作用就是抽水蓄能，而且比將水輪機(jī)和水泵串聯(lián)的蓄能機(jī)組更加方便，成本造價(jià)更低，所以這種設(shè)備被大量應(yīng)用。目前，常見的水泵水輪機(jī)按照水流途徑分為三種機(jī)型，分別是混流式水泵水輪機(jī)、斜流式水泵水輪機(jī)以及貫流式水泵水輪機(jī)。這三種設(shè)備的工作原理大致相同，當(dāng)水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，該設(shè)備可以當(dāng)作電泵使用，當(dāng)轉(zhuǎn)輪反向旋轉(zhuǎn)式當(dāng)作水輪機(jī)使用，所以水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪對(duì)該設(shè)備而言十分重要。本文將采用HLPO140-LJ-485型號(hào)的水泵水輪機(jī)作為主要研究對(duì)象。其轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)獨(dú)特，此零件的上冠、下環(huán)以及葉片部位均采用不銹鋼材料鑄造。其不銹鋼材料具有極強(qiáng)的抗空蝕和抗磨損的特性，采用這種材料可以保證輪機(jī)長(zhǎng)期在水下工作時(shí)不受空化和氣蝕的干擾。其葉片采用模壓方式制成，下環(huán)采用不銹鋼板卷制而成，上冠是整體鑄造，其水泵水輪機(jī)也具有極好的性能。在對(duì)正在使用的水泵水輪機(jī)進(jìn)行裂紋調(diào)查時(shí)應(yīng)采用PT檢驗(yàn)方式。該方式是通過涂抹滲透劑在設(shè)備中，使其滲入表面損傷處，最后去除滲透劑，涂抹顯象劑將殘留滲透劑吸附在設(shè)備表面，判斷損傷位置。經(jīng)過一番探查，在水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部位發(fā)現(xiàn)數(shù)道裂紋，嚴(yán)重影響設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)

一、水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析

通過PT檢驗(yàn)技術(shù)在轉(zhuǎn)輪發(fā)現(xiàn)數(shù)道裂紋，比較嚴(yán)重是在葉片處，其長(zhǎng)度200mm，其裂紋深度也超過2mm，這嚴(yán)重影響水泵水輪機(jī)的安全性，降低水泵水輪機(jī)的使用壽命，增加抽水蓄能電站的生產(chǎn)成本，為我國(guó)大量建設(shè)抽水蓄能電站造成極大的麻煩。經(jīng)過分析主要原因有三點(diǎn)，第一，轉(zhuǎn)輪存在設(shè)計(jì)失誤。經(jīng)過合理分析轉(zhuǎn)輪上出現(xiàn)的大量裂紋是由于設(shè)備轉(zhuǎn)輪組件是單獨(dú)制造，后來在根據(jù)組裝圖紙加工，將葉片、上冠和下環(huán)進(jìn)行組合焊接，在焊接葉片時(shí)會(huì)在葉片中央留下大量鈍邊，這也是導(dǎo)致葉片造成極大損傷的原因。第二是轉(zhuǎn)輪應(yīng)力有一定問題。其水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力主要分為靜載應(yīng)力和動(dòng)載應(yīng)力兩個(gè)方面。在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)受到多種力的影響，且在轉(zhuǎn)輪葉片的周圍存在著4個(gè)高應(yīng)力區(qū)，如果設(shè)備轉(zhuǎn)輪的葉片部位無法長(zhǎng)時(shí)間負(fù)荷應(yīng)力，就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。其葉片部位四個(gè)高應(yīng)力區(qū)主要在葉片零件的進(jìn)水邊靠近上冠的區(qū)域以及葉片出水邊正面中下區(qū)域，正好可以對(duì)應(yīng)PT檢驗(yàn)報(bào)告中裂紋出現(xiàn)部位，所以其轉(zhuǎn)輪無法承擔(dān)高應(yīng)力導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋。第三，是由于焊接點(diǎn)受到水波動(dòng)的影響。在水泵水輪機(jī)設(shè)備開始運(yùn)轉(zhuǎn)之時(shí)，會(huì)導(dǎo)致周圍水波動(dòng)劇烈，對(duì)轉(zhuǎn)輪的焊接部位有所傷害，進(jìn)而出現(xiàn)裂紋。經(jīng)過相關(guān)調(diào)查顯示，在設(shè)備開始啟動(dòng)后，會(huì)由于水力難以平衡或卡門渦列等原因出現(xiàn)劇烈的電荷運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致水力振動(dòng)，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)輪的焊接處造成損傷。綜上所述，造成轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的原因有三點(diǎn)，分別是輪機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題、應(yīng)力問題以及水振動(dòng)原因，嚴(yán)重影響水泵水輪機(jī)設(shè)備的使用壽命，應(yīng)對(duì)裂紋及時(shí)解決，提高水泵水輪機(jī)的使用壽命。

二、水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋處理

（一）裂紋修復(fù)的工藝流程

在對(duì)原有裂紋進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)該按照一定的工藝流程進(jìn)行修復(fù)。首先應(yīng)將需要維修的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪全部拆卸并將其放置在防護(hù)室內(nèi)，通過上文所述的PT檢驗(yàn)技術(shù)對(duì)輪機(jī)進(jìn)行檢驗(yàn)，讓所有裂紋全部顯示，然后將轉(zhuǎn)輪中出現(xiàn)的明顯損傷以及相關(guān)缺陷部位進(jìn)行文字記錄并且應(yīng)該拍照存檔，然后預(yù)熱焊補(bǔ)區(qū)域，焊接消除裂紋。隨后對(duì)輪機(jī)進(jìn)行高溫PT檢查，如果發(fā)現(xiàn)仍然存在裂紋應(yīng)該采用補(bǔ)焊的方式修復(fù)，直至高溫PT檢查顯示無裂紋，再對(duì)其焊接部位進(jìn)行粗磨、精磨、拋光等工作，最后將成品提交驗(yàn)收，每個(gè)維修人員對(duì)輪機(jī)進(jìn)行維修必須遵守工藝紀(jì)律，嚴(yán)格按照整個(gè)工藝流程工作，保證輪機(jī)維修的質(zhì)量。

（二）裂紋修復(fù)的處理要求

在對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行裂紋修復(fù)工作時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照處理要求進(jìn)行工作，以保證裂紋維修質(zhì)量。工藝文件規(guī)定在對(duì)轉(zhuǎn)輪處理前應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行PT檢查，并對(duì)裂紋進(jìn)行標(biāo)記。在對(duì)裂紋較大的部位進(jìn)行修復(fù)時(shí)應(yīng)該分段修復(fù)，每次修復(fù)的面積不得超過300cm2，修復(fù)后進(jìn)行鏟磨工作，如果并沒有修復(fù)完成再繼續(xù)修復(fù)其余處，鏟磨過后可以再次檢驗(yàn)，如果出現(xiàn)裂紋應(yīng)該進(jìn)行補(bǔ)焊，然后再對(duì)轉(zhuǎn)輪修復(fù)部位進(jìn)行精磨、拋光等處理。在對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行氣刨清理時(shí)或?qū)啓C(jī)裂紋焊接前應(yīng)該先行預(yù)熱，如果中途停止焊接應(yīng)該保證焊接部位的溫度在100～150℃之間。對(duì)輪機(jī)裂紋修復(fù)補(bǔ)焊過程中應(yīng)該時(shí)刻注意焊接區(qū)域的溫度，應(yīng)將焊接區(qū)溫度控制在100～230℃之間。在補(bǔ)焊工作結(jié)束后應(yīng)將焊接區(qū)域高溫處理，讓該區(qū)域保證150℃在4h以上，然后24h后對(duì)轉(zhuǎn)輪該部位進(jìn)行PT檢查，檢驗(yàn)修復(fù)是否完全。

（三）裂紋清除方法

檢修人員在對(duì)輪機(jī)裂紋修復(fù)時(shí)應(yīng)該根據(jù)修復(fù)要求選擇正確的修復(fù)方法。清除裂紋方式有很多，在裂紋深度小于5mm時(shí)應(yīng)該采用砂輪鏟磨法修復(fù)裂紋，并且應(yīng)該事先預(yù)留凹形坡口用于后期補(bǔ)焊。鏟磨后采用PT檢驗(yàn)法檢查是否修復(fù)完成。當(dāng)裂紋深度大于5mm時(shí)，可以采用氣刨鏟磨的方式進(jìn)行修復(fù)，在修復(fù)時(shí)應(yīng)該也預(yù)留凹形坡口便于補(bǔ)焊，為防止裂紋擴(kuò)大應(yīng)選擇距離裂紋末端10mm處開始?xì)馀伲P磨后進(jìn)行PT檢查。

結(jié)束語：隨著我國(guó)人民對(duì)用電量需求的增加，需要抽水蓄能水電站進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，應(yīng)該解決其動(dòng)力裝置水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋問題。如果可以修復(fù)轉(zhuǎn)輪裂紋可以提高水泵水輪機(jī)使用壽命，降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過本次研究分析轉(zhuǎn)輪發(fā)生裂紋的主要原因是由于水力振動(dòng)、設(shè)計(jì)不合理以及應(yīng)力過高等，在對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按照工作要求進(jìn)行修復(fù)，應(yīng)根據(jù)裂紋實(shí)際深度、長(zhǎng)度等因素選擇合適的方式修復(fù)，應(yīng)注意修復(fù)質(zhì)量。

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（作者單位：國(guó)網(wǎng)湖南水電公司檢修中心鳳灘檢修部）