水電廠水渦輪裂紋原因分析及處理探討

韋程軍

【摘 要】信息化程度的加深，使得人們對于電力需求逐漸增多，為了滿足人們的電力需要，水電廠成為了供電廠的重要構成，而水渦輪裂紋的出現，干擾了整個水電廠的運作，阻礙了水電廠的發展。因此，本文先分析了水電廠中水渦輪出現裂紋的原因，然后針對其裂紋原因提出了有效的處理策略，以此保證水電廠正常運作。

【關鍵詞】水電廠；水渦輪；裂紋；處理策略

前言：水渦輪可謂是整臺機器的核心部件，其為機組的正常工作提供了動力，屬于機組的驅動系統。另外，水渦輪還能夠調節流量，確保PE管的回收速度始終處在均勻狀態。但是近些年，水渦輪易出現裂紋問題，其質量堪憂，嚴重影響了相關設備的正常運行，不利于水電廠的正常運作。因而研究其裂紋原因極為必要。

一、水電廠水渦輪裂紋原因分析

（一）現場檢測

本文所述水渦輪裂紋問題是依照五強溪水電廠的水輪發電機組中的水渦輪進行的。五強溪水電廠的發電機組自建成投產以來，其4號機與5號機的設備存在水渦輪裂紋問題，并且裂紋大多數在葉片的出水邊和上冠連接處，并且大體為貫穿性裂紋。通過現場檢測發現，其裂紋長度如表1所示。

據目測來看，沿著葉片的方向存在一個長約0.5-1.5mm的裂口，并且部分葉片之間存在著1mm錯位；葉片的斷口呈現出黑色或是紅褐色腐蝕狀，在葉片的出水邊有少量汽蝕，呈點狀，未看見明顯的磨損現象；水渦輪的葉片的背部裂紋長度比正面長；葉片背面的裂紋呈直線狀，其斷口十分鋒利；而葉片正面的裂紋有分岔問題，其斷口為鋸齒狀。

（二）實驗研究

為了對水渦輪裂紋出現的原因進行細致的分析，為其處理辦法提供有效的決策依據，有關人員在5號葉片的裂紋位置截取了10cm*3cm的試塊，共兩塊，并送到德國的Voith Siemens總部進行全面試驗分析，試驗結果如下：

首先，通過對試塊進行機械性能測試，其硬度測試結果：葉片區域的硬度為270Hv30，焊縫區域的硬度為305Hv30；其強度測試結果為：屈服強度為719MPa（設計值>550MPa）、拉伸強度為877MPa（設計值>750MPa）、延伸率為20.1%（設計者>17%）、斷面收縮率為60.6%；其強度試驗結果：沖擊韌性為74J。

其次，對裂紋的表面結構進行分析，從裂紋的表面來看，此裂紋屬于疲勞裂紋，因為試塊的表面光滑，帶有明顯疲勞紋；從裂紋的延伸方向上看，存在許多小孔，但是這些小孔并不會對裂紋的產生起到影響作用[1]。另外，裂紋是由葉片背面的圓角處開始裂開。

然后，對水渦輪裂紋進行了金相分析，從大體上看，裂紋是從一個小包容物開始開裂，并且此包容物大約有5mm長，通過仔細檢查發現，這個包容物是焊接時的熔渣。而且，母材存在的小孔不會使疲勞裂紋延長。通過對焊材進行金相組織分析，試塊的焊接金屬為馬氏體結構，晶粒的邊界存在少量的碳化物，不含有 鐵素與初生馬氏體。通過對熱影響區進行金相組織分析，試塊的熱影響區的金屬為馬氏結構體，不存在 鐵素與初生馬氏體，但是其晶體結構為典型馬氏體中不銹鋼鑄鋼。

最后，通過取樣分析發現，水渦輪裂紋不存在因鑄造或焊接等出現應力上升因素；不存在硬度超標、沖擊韌性差等金屬材料缺陷；各項機械性能指標與標準指標相符；裂紋延伸率不高，無脆斷痕跡。因此，出現裂紋的原因與材料、尺寸、工藝無關。

（三）有限元計算分析

首先，對原形幾何形狀進行有限元分析，兩塊試塊的最大等效力分別為100%與111%；其次，對葉片及其上冠出水邊進行單元模型分析，兩塊試塊的最大等效力分別為104%與117%；然后通過對其進行固有頻率進行分析發現，在裂紋發生部位存在高平均應力、在葉片出水邊和上冠連接位置的裂紋可能是因振動產生的應力集中、水流在經過導水葉時出現的激振頻率接近27.7Hz。

二、水電廠水渦輪裂紋處理策略

（一）焊前處理

第一，缺陷標示。按照超聲波探傷與滲透探傷的結果，要將水渦輪所有要挖除的區域標記出，范圍在圍繞裂紋端部8cm以上的區域，從而得到較為平緩的焊接過渡區。

第二，碳刨與坡口的打磨。焊接人員應從標示頂部進行碳刨作業，與此同時要確保刨出的坡口與焊接技術要求相一致。因為上冠空間有限，所以在實際碳刨作業中要依照坡口角度的具體情況予以適當調整[2]。在碳刨作業結束后，打磨出1mm厚的坡口表面，同時要將表面的滲碳層進行清除處理。在坡口打磨結束后進行PT檢驗，合格后繼續其他處理作業。

第三，預熱。預熱的溫度范圍在100℃-150℃，預熱的焊接范圍是由坡口邊緣至10cm范圍以上的區域，預熱方式為氧乙炔火焰進行加熱。

（二）焊接與打磨

首先，要使用引弧板或是熄弧板進行焊接，并且每個起弧點、熄弧點要在引弧板上或是破口外部。同時要保證引弧板材質和工件一致，若是不一致要保證焊接表面的堆焊材料一致。

其次，要記錄好焊接參數及順序。焊接參數要對照焊接工藝指導書的要求，確保相符；并且從大坡口的某側至內部記做區域①、區域③，而小坡口記做區域②。具體焊接順序為焊接區域①→背部清根→PT檢驗→焊接區域②→焊接區域③。之后要在每一面的焊層上進行回火焊道，進而提高熱影響區所具有的韌性。

最后，進行打磨作業。要對焊縫表面進行打磨，打磨至光滑并與母材處于平齊狀態，圓角要與圖紙要求相一致。

（三）無損檢驗及焊后熱處理

在進行無損檢驗時，要分別進行PT檢驗與UT檢驗。其中PT檢驗是對打磨區域進行檢驗，以此確保不存在線性顯示以及尺寸低于4.8mm的圓形顯示。而UT檢驗時保持焊接后的水渦輪葉片不存在裂紋、未熔合以及未焊透問題，保證沒有高于19mm的長度裂紋缺陷。

在進行焊后熱處理時，要將溫度增加到550℃-660℃，但是此種方式會使轉輪與連接法蘭的溫度超高，所以總部決定將此處理方式替換成加焊回火層。此技術能夠保證焊縫具有退火效果，在對最外層進行焊接時，也可使用此種方式，進行退火[3]。值得注意的是，在最后要將回火層全部打磨掉，并做清除處理。

（四）轉輪改進處理

此步驟是在葉片出水邊及上冠連接位置安裝三角鋼板，將其作為葉片延伸，以此降低集中應力對裂紋部位施加的所用力。具體如圖1所示。并且此種方法已在德國某水電廠得到了較高的使用效果，但是此處理方式在我國還有待驗證。

結束語：綜上所述，通過對水電廠的水渦輪裂紋進行細致的分析研究發現，裂紋出現的主要原因是集中荷載力與水流共振造成的，同時還存在焊接殘余應力的因素。在對焊縫處理時，可以通過再次焊接熱處理或是加裝應力釋放的三角鋼板方式予以治理，從而保證水電廠設備能夠正常運行。

（作者單位：廣西桂冠電力股份有限公司檢修分公司）