寶珠寺水電站13F機組轉輪裂紋分析與修復處理

萬學貴

（華電四川發電有限責任公司寶珠寺水力發電廠，四川 廣元 628003）

0 引言

寶珠寺水電站位于四川省廣元市三堆鎮境內，廠房為壩后式布置，電站裝有4臺單機容量175MW水輪發電機組，在系統中承擔著電網調峰、調頻和事故備用等重擔。13F機組投產發電時間為1997年，在機組歷次檢修過程中，均發現轉輪有輕微氣蝕，經補焊修復后無損檢測合格。自2019年6月隨著電網鄂渝直流背靠背聯網的投運，寶珠寺水電站4臺機組實行AGC投遠方的運行方式，導致機組平均空載運行時間是過去5年平均空載運行時間的14.6倍，平均低負荷運行時間是過去5年平均低負荷運行時間的5.6倍，月均穿越振動區次數同比增加81.56%，加劇了轉輪裂紋的產生[1]。

1 轉輪裂紋情況

2020年5月，在13F機組大修期間，對轉輪進行PT和UT探傷時，檢測發現轉輪葉片與上冠的組合焊縫及熱影響區存在多處超標缺陷，共計有141條裂紋，裂紋均由內向外擴展，裂紋方向無規律性，最深達到56mm，最長達到320mm。具體分布情況如表1所示，其中UT所測量裂紋分布如表2所示。

表1 轉輪進行PT和UT探傷結果

表2 UT所測量裂紋分布情況

2 轉輪裂紋原因分析

只要科學分析透徹轉輪裂紋發生的原因，采取有針對性的治療與防范措施，才能延長轉輪使用“壽命”。初步分析原因為一是轉輪固有的性能導致裂紋，如轉輪結構、材料、葉片形狀及鑄造質量、焊接應力變化等；二是機組運行方式的變化導致轉輪長期處于振動區、水力不平衡態，使轉輪處于應力大幅波動變化的范圍內，加速了轉輪裂紋的產生[2]。外在因素（AGC投遠方運行方式無法改變）不可控，內在原因分析如下：

（1）在結構方面，經過鉆研轉輪裝配圖和加工圖，查出水輪機型號為HLD89-LJ-500型，由東方電機廠制作。轉輪為分瓣轉輪（兩瓣），由上冠、14個葉片、下環及泄水錐組成。上冠最大外徑∮4599mm，下環最大外徑∮5420mm，高2875mm，凈重為84588㎏，是我國首次制造的大型分半鑄焊結構轉輪。由于制造方面的原因,在上冠、葉片和下環內部或多或少地存在著諸如疏松、縮孔、氣泡、偏析、夾雜物、粗晶等鑄造缺陷,使得轉輪整體存在著許多不連續處,相當于裂紋源[3]。

（2）在材料方面，轉輪上冠材料為碳鋼ZG20SiMn，葉片材料為不銹鋼ZG0Cr13Ni6Mo。查得ZG20SiMn、ZG0Cr13Ni6Mo的化學成分及機械性能如下表所示：

表3 轉輪上冠材料情況

按照國際焊學會推薦的碳當量計算公式，碳當量=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cr）/15（%）。計算得出，轉輪上冠ZG20SiMn的碳當量為0.34%，葉片ZG0Cr13Ni6Mo的碳當量為3.22%。碳當量比較大，焊接時必須預熱。選用強度稍低于母材的雙相奧氏體焊條進行補焊。原因是：①焊縫塑性好，應力松馳能降低焊接接頭的應力水平及改善應力分布；②奧氏體溶氫量大，可防止由于焊縫熱影響淬硬以及氫致集中應力所引起的不利影響，抑制冷裂紋的產生；③預熱溫度可適當降低[4]。

（3）在應力方面，轉輪共有14個葉片，由于轉輪結構的周期性，分析時取其結構的1/14 對稱周期部分進行計算，轉輪采用三維實體單元進行模擬，應用 ANSYS 軟件中的專用程序，進行葉片表面水壓力加載。計算結果顯示：寶珠寺轉輪最大拉應力為86.43MPa，最大徑向變形為0.268mm，產生在葉片出水邊與下環交接處。轉輪在飛逸轉速工況時的最大拉應力為265.27MPa，最大徑向變形為2.375mm。根據轉輪的材料屈服強度極限校核，裂紋修復焊接要滿足機組安全運行的剛強度要求[5]。

3 轉輪裂紋修復處理

針對原因分析，我們從焊接材料、焊接工藝和熱處理工藝三個方面來實施改善。

（1）在焊接材料方面，采用組合焊的方式，CHS237焊條進行手工電弧焊打底：CHS237是低氫型藥皮的不銹鋼焊條，因為焊縫金屬含有釩，故具備良好的耐蝕性和抗裂功能。運用直流反接，能進行全位置的焊接。ER309 焊絲進行氣體保護焊填充：ER309 因為含Si高達0.8%，降低了熔滴金屬的外表張力，使熔滴顆粒變細，更容易完成噴射過度，使電弧變得更穩定。同時還能改善熔滴金屬的潮濕性，使焊道波紋好看，不易發生未焊透，夾渣，氣孔等缺陷。提高焊接效率，焊接效率是手工電弧焊的4倍。GHS042焊條進行手工電弧焊蓋面：CHS042是鈦鈣型藥皮的超低碳不銹鋼焊條，交直流兩用，用于相同類型的超低碳不銹鋼材料及異種鋼焊接。因為焊接中加入了適量的鉬，從而提高了焊接縫金屬的抗裂性及耐腐蝕功能。所有焊條在焊接前需按使用說明書上的要求進行烘烤，焊接過程中使用焊條保溫筒進行保溫[6]。

（2）在焊接工藝方面，我們經過工序優化，制定了焊接工藝流程圖。

圖1 焊接工藝流程圖

轉輪裂紋處理焊接工藝：①對深度小于20mm的裂紋采用風動砂輪、合金旋轉銼相結合方式進行打磨清根處理，直至PT探傷合格；②對深度大于20mm的裂紋采用碳弧氣刨進行清根處理，且需從裂紋兩端外側10mm處向中間刨除，表面采用Ф10、Ф8炭精棒，裂紋根部采用Ф6炭精棒，直至PT探傷合格；③焊接面打磨見金屬光澤、清掃干凈；④焊接前采用電加熱法對焊接區域進行預熱處置，焊接預熱溫度≥80℃，道間溫度≤200℃；⑤焊接時需對稱、多層多道、分段焊接，焊縫接頭需交錯，每處裂紋坑一次焊接量不得多于兩道；⑥每層焊接后必須使用風鏟錘擊進行消應處理；⑦焊后必須用電加熱片進行保溫處理；⑧焊后無損檢測合格；⑨焊后焊縫表面要求與母材齊平，粗糙度不低于原表面，且需保證葉片與上冠焊接R角與原設計一致。

（3）在熱處理工藝方面，焊后熱處理可以降低焊縫和熱影響區硬度，改善其塑性和韌性，同時減少焊接殘余應力，去除接頭中的擴散氫，防止延遲裂紋的產生。熱處理工藝有退火、回火、正火、淬火等方法，本次13F機組水輪機轉輪焊后熱處理采用退火處理，退火溫度為（580±10）℃，保溫10h后，以小于30℃/h的冷卻速度冷卻到150℃以后空冷。熱處理工藝曲線見圖2。

圖2 熱處理工藝曲線

測試結果表明：熱處理后，轉輪的焊接殘余應力下降了58%，滿足相關技術要求，退火效果不錯，從而提高了轉輪的疲勞壽命、抗脆斷能力、抵抗應力腐蝕開裂的能力。

為了對焊接質量全過程管控，我們還編制了焊接工藝評定卡，焊接過程中需做好預熱溫度、焊接工藝參數、層間溫度、消應處理等數據記錄。每進行一步工序，各作業人員都要進行簽證，保證質量可追溯。

圖3 焊接工藝評定卡

同時，在焊接過程中需監視轉輪的變形量，在轉輪上冠、下環及水輪機大軸的±XY方向分別架設百分表，變形量以每小時不超過0.30mm為宜。機組回裝時，用轉輪上下止漏環數據驗證轉輪變形量是否在正常范圍內。

4 轉輪裂紋修復后的情況

6月2日，機組轉輪按上述修復方案修復后，無損（PT+UT）檢測結果合格，用標準翼型檢測尺檢查轉輪葉片與上冠焊接R角符合原設計要求。機組回裝時，我們用轉輪上下止漏環數據來驗證轉輪的變形量，通過分析計算，轉輪變形量較DL/T817-2014立式水輪發電機檢修技術規程標準提高了60%，遠遠優于行業標準，即轉輪變形量在合格范圍內，轉輪也實現了華麗蛻變。

經過汛期的高負荷運轉，11月18日，我們進行了13F機組水輪機轉輪專項檢查，對轉輪進行全面的PT檢測，檢測結果顯示轉輪只有輕微的氣蝕孔，無裂紋產生。說明轉輪裂紋修復處理工藝經受住了實踐的檢驗，延長了13F機組轉輪的使用壽命，為其它機組水輪機改造贏得了寶貴時間。同時修復質量優良，提高了轉輪運行的可靠性，為防洪發電雙豐收提供了有力支撐。

5 結論

通過對焊接材料的選擇，制定合理的焊接工藝和熱處理工藝，及時消除了水輪機重大缺陷，有效控制了殘余應力，提高了轉輪裂紋修復質量，縮短了修復工期，預防水輪機轉輪出現裂紋。寶珠寺水電站13F機組轉輪經修復處理后，機組運行后水輪機各項運行技術指標均在正常范圍內。對于寶珠寺水電站13F機組轉輪裂紋分析與修復處理可為其它電站同類型轉輪裂紋的分析與處理提供參考借鑒。