高水頭混流式轉輪的全修復技術及保證措施

應金仁，李 華

（東芝水電設備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020）

1 前言

高水頭混流式水輪機在運行若干年后，由于水電站水質條件及運行工況的改變，轉輪可能出現磨蝕嚴重的情況。轉輪運行后出現的磨蝕缺陷主要出現轉輪裂紋、R角處焊縫凹陷、葉片磨蝕凹坑、上冠及下環外緣磨損凹坑、葉片進出水邊變薄等情況。高水頭混流式轉輪一般采用ZG06Cr16Ni5Mo或同等不銹鋼材質制造而成，為了達到轉輪能夠全修復，需綜合考慮水力影響、修復過程焊接變形控制、熱處理及精加工制造工藝、剛強度、應力水平、裂紋、配套接口尺寸及品質管理、各部件匹配性等全方位因素，制定一套完整的水輪機轉輪修復方案。采用轉輪全修復技術及保證措施，可以保證轉輪各修理部位性能可靠，特別是轉輪裂紋、R角處焊縫、葉片磨蝕凹坑、上冠及下環外緣磨損凹坑、上下止漏環梳齒、葉片進出水邊這些部位。

2 轉輪修復主要流程

為了對高水頭電站轉輪進行完整的修復，需要進行檢查、裂紋檢查、補焊、修磨、熱處理（高應力區域焊補時或大面積堆焊時）、無損探傷、精加工、靜平衡、表面熱處理等主要步驟，轉輪修復具體步驟見圖1所示。

圖1 轉輪修復流程圖

3 轉輪各部位具體修復方案

3.1 具體修復方案對比

針對轉輪各部位具體修復方案，在修復過程中，進行了優缺點對比，并提出優化方案。轉輪上冠方案比較見表1，轉輪下環方案比較見表2。

表1 轉輪上冠修復方案

表2 轉輪下環修復方案

對表1、表2方案進行對比分析：

（1）對于轉輪上冠修理，經過比較，我們采用了方案1，方案1上冠外緣直接采用堆焊相比于方案2的不銹鋼塞焊，修理后強度及穩定性更優。方案1在對原上冠梳齒進行車削后，鑲嵌不銹鋼板，再進行精加工，上冠梳齒由于受力應力很小，主要考慮磨損因素，因此鋼板性能更穩定；如果采用方案2補焊，由于上冠梳齒處空間狹小，很容易造成補焊缺陷，且對補焊缺陷不容易處理。

（2）對于下環修理，方案1采用對下環外緣直接采用大面積堆焊，需控制焊接變形，再進行精加工，相比于塞焊不銹鋼板，強度及穩定性更優。方案2采用不銹鋼板塞焊，焊接量少變形容易控制，但采用不銹鋼板塞焊如果焊縫處磨損，會造成運行后膨脹現象等不穩定情況。目前我公司采用優化的大面積堆焊工藝，能夠很好控制大面積堆焊變形，因此下環修理我們采用了方案1。

3.2 轉輪各部位修復方案具體說明

（1）上冠進水側

根據轉輪磨蝕后測量的尺寸，如圖2所示情況，對上冠進水側外緣確定堆焊后尺寸，根據確定的堆焊尺寸進行堆焊。堆焊前對堆焊區域作MT或PT檢查，做好缺陷記錄；堆焊前進行表面處理，焊接方法采用GMAW，焊絲與本體相匹配；焊前進行預熱，采用接觸式測溫儀進行確認，做好記錄；焊接時采用小規范、多層多道焊接；焊接時層間焊渣清除干凈，過程中出現產生熔合不良或夾渣等缺陷應及時處理，確保焊接質量。焊接過程中確保層間溫度，若發現溫度低于100 ℃時需馬上再進行預熱，可采用火焰預熱方式。

圖2 轉輪上冠側示圖

上冠外緣側凹坑，進出水側凹坑和磨蝕凹坑，通過焊補方式處理。需補焊區域進行PT探傷檢查，確保無缺陷。焊接方法采用GTAW，補焊焊絲與轉輪相匹配，焊前進行預熱；焊后修磨后，補焊區域做PT探傷檢查。

（2）上冠梳齒密封部分

根據測量圖紙的尺寸，確定上冠梳齒鑲焊尺寸。鑲焊不銹鋼焊接方法采用GMAW，焊絲與本體相匹配；焊前進行預熱，采用接觸式測溫儀進行確認，做好記錄；焊接時采用小規范、多層多道焊接；焊接時層間焊渣清除干凈，過程中出現產生熔合不良或夾渣等缺陷應及時處理，確保后續焊接質量；焊接過程中確保層間溫度，若發現溫度低于100 ℃時需馬上再進行預熱，可采用火焰預熱。

（3）下環進水側

根據圖紙及測量的尺寸，對下環進水側外緣確定堆焊后尺寸，如圖3所示情況，根據確定的堆焊尺寸進行堆焊，滿足堆焊工藝要求。堆焊前需對堆焊區域作MT或PT檢查，做好缺陷記錄，并對表面進行處理；焊接方法采用GMAW，焊材與本體相匹配；焊前預熱溫度≥100 ℃，保溫1 h，采用接觸式測溫儀進行確認，做好記錄；焊接時采用小規范、多層多道焊接；焊接時層間焊渣清除干凈，過程中出現產生熔合不良或夾渣等缺陷應及時處理，確保后續焊接質量；焊接過程中確保層間溫度：100~300 ℃，若發現溫度低于100 ℃時需馬上再進行預熱，可采用火焰預熱方式。

圖3 轉輪下環進水側磨損檢查示圖

下環凹坑，下環進出水側凹坑和磨蝕凹坑通過焊補方式處理，需嚴格按照焊接工藝規范WPS要求。需補焊區域進行PT探傷檢查，確保無缺陷；焊接方法采用GMAW+GTAW，補焊焊材與轉輪本體材料相匹配，焊前進行預熱；焊后修磨后，補焊區域做PT探傷檢查。

（4）下止漏環

根據磨損測量尺寸及設計圖紙，確定下止漏環堆焊量及具體堆焊工藝。堆焊前對堆焊區域需作MT或PT檢查，做好缺陷記錄；堆焊表面處理后，采用GMAW堆焊，焊材與本體相匹配，嚴格按照焊接工藝規范WPS要求執行；焊前進行預熱，采用接觸式測溫儀進行確認，做好記錄；焊接時采用小規范、多層多道焊接。焊接時層間焊渣清除干凈，過程中出現產生熔合不良或夾渣等缺陷應及時處理，確保后續焊接質量；焊接過程中確保層間溫度：100~300 ℃，若發現溫度低于100 ℃時需馬上再進行預熱。

（5）上冠、下環、葉片過流面

轉輪原制作時下環是分兩段的，分步裝配焊接及鏟磨，待修復轉輪是整體的，可能存在著部分區域由于內部空間狹小無法實施補焊及打磨；在可操作范圍內對上冠、下環、葉片過流面進行打磨過渡，對殘留的凹坑進行補焊。補焊后一并同磨蝕區域進行打磨，嚴格按照焊接工藝規范WPS要求執行。堆焊前對補焊區域進行PT探傷檢查，確保無缺陷；焊接方法采用GTAW，補焊焊材采用與轉輪相匹配材質，焊前進行預熱；補焊后修磨后，整體做PT探傷檢查。關于噴涂，只針對于可打磨處理的區域進行噴涂。

4 性能優化及保證措施

4.1 補焊材料的匹配性

因轉輪修復后需達到焊材與原轉輪材料性能匹配，因此需選用與母材同類材質如MX-A410NM、No.7482進口焊材。根據轉輪不同的修復部位及焊接工藝進行合適應用，這些焊材已廣泛應用于混流式轉輪焊接。針對轉輪不同部位，如上冠、下環、葉片各部位焊縫處修復應采用相宜的焊材，以達到匹配性要求。

4.2 轉輪整體有效熱處理（SR）

對轉輪高應力區域或大面積堆焊實施全焊接修復后，會對轉輪造成焊接殘余應力。為了消除焊接殘余應力，對轉輪整體進行有效熱處理（SR）以有效地消除焊補殘余應力。對轉輪墊平、墊實進爐進行退火消應力處理，布置4支熱電偶，上冠進水邊、出水邊、下環進水邊及出水邊各一支，溫度：（575±15） ℃，保溫7~8 h，爐冷至80 ℃出爐，升溫、降溫速度按≤55 ℃/h控制，進行去應力及去氫退火作業。轉輪整體熱處理（SR）見圖4示例。

圖4 轉輪整體熱處理（SR）示例

4.3 轉輪補焊前后無損檢測

轉輪在修理過程中，首先要進行UT等無損探傷檢查，以發現判斷轉輪的缺陷，以便對轉輪磨損及可能潛在的裂紋在修理前及時發現。轉輪所有部位及焊縫按照ASME、GB相應標準進行。在有圖紙和技術文件要求的情況下，無損檢測應該貫穿部件制作的各個階段，轉輪無損探傷檢測項目見表3。具體檢測方法和判定基準按相應標準中的要求執行。

表3 轉輪修復無損探傷部位及要求

4.4 葉片出水邊的處理

葉片出水邊的處理是轉輪修復的重要一環，由于磨蝕造成出水邊翼型的改變，葉片出水邊區域磨損后，容易造成擴散性裂紋，對葉片出水邊區域運行造成隱患。水輪機在不合理的工況下運行可能誘發機組不穩定運行的其他問題的疊加，例如導致轉輪部件的自激振動、共振等，加速裂紋的發展，需要對轉輪出水邊進行處理。轉輪出水邊由于磨損后造成厚度減薄，對葉片出水邊進行打磨并使葉片保持一定厚度，按照葉片翼型趨勢進行打磨后倒角，利用葉片檢查樣板進行檢查滿足設計要求。葉片出水邊卡門渦頻率與葉片固有頻率產生耦合共振的疲勞破壞容易導致葉片短時間內產生裂紋，由經驗公式斯特羅哈方程fs=s×v/d(s為斯特羅哈常數)計算卡門渦頻率，表面卡門渦頻率與過流速度與葉片出水邊厚度有關，葉片出水邊處理后并保持一定厚度以避免產生卡門渦造成對水輪機轉輪振動等方面的影響。

4.5 精加工后的噴涂

對含泥沙較多的河流，為了增強轉輪的抗磨蝕、抗空蝕性能，轉輪精加工后，可對轉輪過流面采用碳化鎢熱噴涂保護。轉輪主要噴涂部位包括上梳齒、下梳齒、上冠進口密封面、上冠進口上平面、下環進口密封面、下環外側面、上冠和下環流道面、長葉片和短葉片表面。

碳化鎢熱噴涂一般采用超音速火焰噴涂（HVOF），即利用高能熱源，利用噴槍形成高溫火焰流，在高溫下將碳化鎢粉末加熱至熔融或塑性狀態，利用火焰流速將熔融粉末以高速噴向工件基材表面，形成涂層。噴涂前，除濕干燥及除塵，除銹蝕及表面拋光；需利用拋光輪進行表面拋光打磨，以提高表面光潔度及拋去表面氧化層和加工疲勞層；對需要噴涂的表面進行缺陷處理，對發現的表面缺陷利用氬弧焊進行修補，再進行表面拋光打磨，直至合格；粉末預處理及表面除脂除污處理。對于非噴涂表面，應采取保護措施，避免噴砂和噴涂損傷這些表面。目視檢查需要噴涂的表面，待噴涂表面糙度最大為3.2 μm，無裂紋、無腐蝕、無氣孔、砂眼、無焊接夾渣，表面硬傷孔洞直徑不大于 0.5 mm，表面必須無任何線性缺陷，無任何飛濺、焊縫咬邊；對于超出要求的缺陷進行GTAW焊補處理，做好記錄，并拍照留底。噴涂時，控制基材溫度不超過120 ℃，每遍涂層厚度不大于15 μm，涂層無臺階、脫落、不均勻現象等。噴涂后采用專用材料進行涂層表面保護。

4.6 轉輪FEM分析及結果評估

轉輪全修理后，可根據加工后的尺寸進行有限元FEM分析及評估，對于長短葉片轉輪，轉輪最大主應力一般位于短葉片與上冠焊接的出口區域以及長葉片與下環焊接的出口區域，如圖5、圖6示例，轉輪集中應力一般位于短葉片與上冠焊接的出口區域以及長葉片與下環焊接的出口區域。

圖5 主應力分布云圖 (左：正壓面；右：負壓面)示例

圖6 最大主應力分布云圖示例

圖7 示例為轉輪FEM分析的轉輪徑向、軸向位移分布云圖，需要關注轉輪上冠外徑邊緣的徑向位移、轉輪最大徑向位移（一般位于下環邊緣）、長葉片中部的周向變形等，要求控制在同類型轉輪變形范圍內。

圖7 徑向、軸向位移分布云圖示例

4.7 數據準確度控制方法

轉輪整個制作過程中的檢查包括：轉輪焊縫探傷檢查、轉輪修復前后基本尺寸檢查檢查、轉輪葉片型線/開口/節距/進口角/厚度檢查、轉輪表面粗糙度檢查、轉輪靜平衡試驗、轉輪跳動檢查等主要項目。

修復前，檢查所有相關尺寸及進行無損探傷檢測，確認返廠時的情況。轉輪所有堆焊的凹坑采用PT探傷方法確保補焊無裂紋。堆焊后，同時對轉輪焊縫進行UT檢查，確保無焊接應力所產生的新的裂紋。轉輪本體外圓上下止漏環位置采用機床打表的方式進行本體校正，補焊后同樣采用機床打表方式進行跳動檢查，保證整體的同心度符合設計要求，確保現場順利安裝。

修復后整體外形進行外觀及尺寸確認，保證修復后與原尺寸保持一致。噴涂后，再次確認噴涂區域涂層的粗糙度、尺寸及外觀情況，確保無肉眼可見的氣孔等缺陷。

5 轉輪修復后的效果

由于轉輪采用全修復技術，修復后的轉輪性能基本與新制轉輪相當，修復后的轉輪能夠重新投入穩定運行，達到預期目的，轉輪修復后的效果見圖8示例。

圖8 轉輪修復后效果圖示例

6 結語

轉輪的全修復需要對轉輪特性進行深刻了解，特別是在綜合考慮水力影響、修復過程焊接變形控制及精加工等制造工藝措施、剛強度、轉輪各部件應力分布等因素全方位考慮，并結合專業噴涂廠家的噴涂方案，制定一整套合理優化的修理方案。特別是對葉片出水邊補焊打磨等處理方式方案研討，并充分考慮葉片出水邊形狀，以避免產生卡門渦造成對水輪機轉輪振動等方面的影響。由于轉輪全修復需要大量堆焊及補焊，焊接時需嚴格控制變形，嚴格按照焊接工藝規范實施。在實施過程中加強體制管理，嚴格控制方案設計、制造工藝過程、品質管理各環節，配置豐富資源包括設計、制造、探傷、焊接等專業技術人員以及數控加工、熱處理（SR）等。轉輪的全修復后可實現磨蝕轉輪的重新利用，帶來經濟效益。