混流式機組轉輪裂紋原因分析及處理

四川大唐國際甘孜水電開發有限公司 四川 甘孜 626001

1 引言

某水電站左岸廠房安裝4臺200MW混流式機組，轉輪材質為ZG00Cr13Ni5Mo，右岸廠房2臺25MW混流式機組，轉輪材質為ZG06Cr16Ni5Mo。投產后各機組共經歷了3次C修，在葉片出水邊根部與上冠、下環的組合焊縫和熱影響區多次發現貫穿性裂紋，葉片及焊縫附近區域伴有串列氣孔、微裂紋、夾渣等缺陷，長度50～105mm不等，如圖1-2。針對混流式機組轉輪頻繁出現裂紋的情況，本文從多方面分析了裂紋產生的原因，并就裂紋修復處理和防裂措施提出了建議。

圖1 組合焊縫處貫穿性裂紋

圖2 裂紋附近串列氣孔

2 裂紋原因分析

轉輪開裂通常分為裂紋的萌生、裂紋擴展及貫穿性開裂三個階段。造成轉輪開裂是由多種因素共同作用導致的，其中轉輪的制造質量、應力狀況、水力因素、運行工況對裂紋的產生和擴展有重要影響。

(1)制造質量。混流式水輪機組轉輪都是鑄焊結構，葉片在鑄造過程中打孔操作容易形成砂眼，焊接過程中容易出現夾渣，這些缺陷易導致應力集中。葉片為一體鑄造，在葉片正面和背面易存在點狀鑄造缺陷，這些鑄造缺陷易形成裂紋源。轉輪焊接接頭形狀復雜，焊材填充量大，焊后進行熱處理，殘余應力的幅值仍很大，焊縫缺陷在過大的殘余應力作用下也易導致裂紋的產生和擴展。同時，ZG00Cr13Ni5Mo/ZG06Cr16Ni5Mo屬于Cr-Ni系馬氏體不銹鋼，淬硬傾向大。

隨著轉輪服役時間的延長，原先經表面機加工埋藏在葉片內部的鑄造缺陷和焊接缺陷逐漸暴露出來，應力集中部位的缺陷極易形成裂紋源。

(2)水力因素。水力因素是造成裂紋擴展和轉輪開裂的主要因素，包括尾水壓力脈動、卡門渦、水力彈性振動等。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉輪的水力自激振動引發，這可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發。

(3)應力狀況。轉輪空載時，其主要受力為離心力和重力；帶負荷運行時，工況調節過渡過程中由于水壓脈動、水錘及機組出力急劇變化等因素，轉輪葉片承受較大的交變應力。葉片傳遞的環向拉應力主要由上冠和下環來承擔，提高了葉片出水側根部應力，同時，此處的焊接殘余應力也較大，使得轉輪葉片出水側與上冠及下環焊縫位置為應力峰值區域。

轉輪葉片所承受應力包括:固定導葉和轉動葉片相互作用所產生的壓力脈動所形成的動應力；超出出力工況下和部分負荷工況下由渦帶形成的壓力脈動所產生的動應力；由于進出水流不均勻而產生的動應力；卡門渦和葉道渦引起的動應力。當葉片承受的應力超過葉片材料疲勞極限或瞬時應力峰值超過了強度極限就會發生疲勞開裂。

(4)運行方式。不良的運行方式是裂紋產生的催化劑，不同運行工況對葉片裂紋產生和擴展影響較大，工況不同葉片承受的動載荷不同。水輪機在低負荷區或者振動較大區間運行時，水力不穩定，機組振動偏大，使葉片承受的動應力較大，作用在葉片上的穩定應力和振動交變應力對葉片材料的累計損傷造成了微裂紋和裂紋的擴展，最終導致振動疲勞開裂。

3 裂紋修復處理

在已經出現轉輪裂紋的情況下，通過綜合考慮機組的安全性和經濟效益，制定一種可靠、有效的修復方案，并嚴格按照工藝執行顯得尤為重要。對于轉輪葉片出水邊與上冠、下環焊縫的高應力區的裂紋，大多由高周疲勞引起，這種裂紋的形成和發展比較快，一經發現應盡早進行焊補修復處理。制定焊補方案時要考慮以下因素:

(1)裂紋修復過程中，嚴格把控確保裂紋徹底清除，清除后用PT或MT檢測確認；裂紋清除時碳刨表面必須用風動砂輪機或橢圓型磨頭將氣刨表面打磨出金屬光澤，以消除表面滲碳層。

(2)選用低氫或堿性焊條，將待焊區域坡口及其附近油污、水等有害雜質清除干凈；焊條進行烘干、去水、干燥處理，以便徹底去除水分；選用低強匹配的焊材，這樣可降低焊接接頭的拘束應力，降低冷裂紋的形成幾率。

(3)轉輪裂紋焊接修復是一個局部的不均勻加熱、冷卻的過程，Cr-Ni系馬氏體不銹鋼線膨脹系數大、導熱系數小、多次補焊修復會導致熱應變、熱應力增大，補焊部位及熱影響區附近殘余應力偏高，為了減少焊接后的變形和殘余應力，盡量選擇低應力的焊材，焊條直徑盡量選擇小直徑焊條，待修復區域附近應進行焊前預熱，預熱溫度100℃以上，焊接時采用多層多道焊，焊接層間溫度控制在100-150℃，盡量控制焊接變形量到最小，同時應采用不銹鋼風鏟錘擊的方法消除焊接應力；焊接完成后立刻用石棉布保溫補焊區，緩慢冷卻，避免冷卻速度過快，產生冷裂紋。

(4)焊接過程中，嚴格控制焊接工藝，保證焊接質量，焊接完成后焊縫表面嚴格控制焊接部位與周圍區域圓滑過渡，減小應力集中，并保持原有線型，焊后24h后進行MT或PT檢測，確認無超標缺陷。

4 預防開裂措施

法國ALSTOM公司通過電站實測和疲勞強度研究證明:混流式轉輪在部分負荷下運行所承受的高動應力會使疲勞強度下降并導致裂紋產生和擴展。他們發現，在部分負荷下運行對轉輪有嚴重的傷害。對于葉片與上冠的連接部位，在最大功率下運行的壽命是在部分負荷下運行的300倍。根據實測資料和機組運行狀況，二灘電站將水輪機的運行范圍劃為穩定運行區、許可運行區、禁止運行區后，裂紋不再發生[1]。

作為在役機組，轉輪裂紋的產生是多種因素綜合作用的結果。新機組投產初期，因轉輪殘余應力高和潛在的缺陷尚未暴露，避開低負荷及振動區運行是防止或延遲轉輪開裂的重要手段。通過摸清機組的振動特性，讓機組避開振動區運行，降低轉輪葉片承受的動載荷，減少葉片發生疲勞裂紋的可能性。待機組運行一段時間后，轉輪里面的一部分殘余應力釋放完畢，實行避振運行能有效防止轉輪開裂。