某水電廠轉(zhuǎn)輪葉片開裂分析及預(yù)防*

楊佩旭，趙朝友，錢亞勇，周云飛

(甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

水輪機(jī)葉片葉型是空間變截面的曲面形狀，厚薄界面變化大。 轉(zhuǎn)輪通常采用鑄造成型，轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下冠通過焊接形式連接于一體[1]。 由于水流的不穩(wěn)定及復(fù)雜的運(yùn)行工況，使得葉片產(chǎn)生振動，進(jìn)而使轉(zhuǎn)輪的上冠、下冠與葉片焊接區(qū)域附近易產(chǎn)生規(guī)律性和非規(guī)律性裂紋[2]，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行故障，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失危及設(shè)備安全運(yùn)行。 筆者重點(diǎn)針對轉(zhuǎn)輪葉片開裂現(xiàn)象，對葉片裂紋形成原因進(jìn)行初步分析，得出轉(zhuǎn)輪焊縫的最優(yōu)無損檢測方法，為水電廠轉(zhuǎn)輪葉片開裂及預(yù)防提供技術(shù)支持。

1 背景介紹

某水電廠5 號水輪發(fā)電機(jī)組1973 年投運(yùn)，1999～2000 年整機(jī)完成增容改造，水輪機(jī)型號HL228-LJ-588，由法國阿爾斯通公司制造，機(jī)組年運(yùn)行時間近5000 h。 增容改造后分別于2005、2011、2016 年進(jìn)行三次A 級檢修、三次B 級和十次C 級檢修，檢修期間多次發(fā)現(xiàn)裂紋，在2016 年11 月A 修中發(fā)現(xiàn)11 條裂紋，葉片材質(zhì)為ZGOCr13Ni4Mo。

葉片表面氣蝕嚴(yán)重且氣蝕呈鏈狀分布，大部分葉片已形成溝槽，個別葉片趨向形成溝槽；裂紋分別為沿母材開裂及沿焊縫熱影響區(qū)開裂。

如圖1、2 所示。 ＃9 葉片裂紋在出水邊焊縫熱影響區(qū)起裂，沿?zé)嵊绊憛^(qū)向擋水環(huán)與葉身連接角焊縫延伸，起裂處存在尖銳溝槽。

圖1 ＃9 葉片宏觀形貌

圖2 ＃12 葉片宏觀形貌

＃12 葉片出水邊母材處局部出現(xiàn)尖銳溝槽，形成應(yīng)力集中點(diǎn)；轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中受氣泡破裂、尖銳溝槽等因素影響，加之葉身處于復(fù)雜應(yīng)力工況，裂紋在應(yīng)力集中處起裂并向葉身母材擴(kuò)展。

2 葉片開裂分析

2.1 光譜分析

對葉片母材及焊縫熔敷金屬采用ARL4460 臺式光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果見表1、2，由分析結(jié)果可知，葉片母材及焊縫熔敷金屬化學(xué)成分中各元素含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 葉片材質(zhì)為ZG0Cr13 Ni4Mo，焊條牌號為E309。

表1 葉片母材光譜分析/%

表2 葉片熔敷金屬光譜分析/%

2.2 微觀組織分析

葉片材料屬于馬氏體不銹鋼，含有較高的Cr 元素，在熱處理過程中易出現(xiàn)高溫鐵素體，影響材料的性能。 從圖3 所示的金相圖片中可以看出，＃9 葉片熔敷金屬在200 倍時可以觀察到有較密集的夾雜物存在，破壞了金屬基體的連續(xù)性，縮小了真正的承擔(dān)載荷的有效面積，同時產(chǎn)生缺口作用，導(dǎo)致應(yīng)力集中，由于運(yùn)行工況使得葉片處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，金屬處于脆性狀態(tài)，可能導(dǎo)致材料的塑性及韌性偏低。 另外，＃12 葉片中馬氏體粗大晶界脆化，存在貧碳區(qū)。當(dāng)貧碳區(qū)的分布方向與拉應(yīng)力方向垂直，會造成葉片的損壞。

圖3 金相檢驗(yàn)

2.3 裂紋成因分析

葉片出水邊母材處局部出現(xiàn)尖銳溝槽，形成應(yīng)力集中點(diǎn)；轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中因氣泡破裂、尖銳溝槽等因素，葉身處于高周脈動應(yīng)力工況，且出水邊處于高周脈動峰值應(yīng)力狀態(tài)，裂紋在應(yīng)力集中處起裂，裂紋沿著葉身強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域向進(jìn)水側(cè)擴(kuò)展。

3 預(yù)防措施

常規(guī)表面無損檢測可發(fā)現(xiàn)表面及近表面缺陷，無法檢測出葉片及焊縫內(nèi)部缺陷。 葉片母材及焊縫的埋藏性缺陷危害比較大，轉(zhuǎn)輪葉片結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不適合射線檢測，應(yīng)采用超聲波檢測。

3.1 超聲波檢測

3.1.1 探頭選擇

水輪機(jī)葉片及焊縫為粗晶鑄鋼材料，超聲型號衰減較大[3]，為提高檢測信噪比及缺陷檢出率，應(yīng)當(dāng)選取窄脈沖、低頻率的縱波斜探頭。

3.1.2 檢測方法

對葉片及其與上冠、下環(huán)的焊縫進(jìn)行超聲波檢測，檢測方法如圖4 所示。 葉片與上冠焊縫相對較寬，為避免漏檢，應(yīng)將探頭平行于焊縫進(jìn)行掃查，此探頭外觀結(jié)構(gòu)應(yīng)與焊縫結(jié)構(gòu)相匹配，保證耦合良好。 探頭的移動速度不允許超過80 mm/s，提高6 dB 進(jìn)行掃查，評定時降低6 dB，探頭移動要有重疊，至少為10%晶片的寬度尺寸，確保掃查到整個焊縫體積[4]。

圖4 檢測方法示意圖

3.1.3 缺陷評定

由于葉片屬于一體鑄造成型部件，不可避免會產(chǎn)生鑄造缺陷，如氣孔、疏松等。 葉片焊縫通常采用馬氏體或奧氏體焊條，此類焊縫焊接殘余應(yīng)力較大，易產(chǎn)生焊接裂紋。 因此在超聲檢測時，通常在焊后24 h進(jìn)行探傷作業(yè)，避免此類缺陷漏檢。 具體缺陷評定需在滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下進(jìn)行，結(jié)合工藝特性、超聲波形、缺陷類型及底波反射情況進(jìn)行綜合評定。

3.2 加強(qiáng)設(shè)備技術(shù)監(jiān)督

(1) 金屬技術(shù)監(jiān)督通過對受監(jiān)部件的檢測和診斷，及時了解并掌握金屬部件的質(zhì)量狀況，防止設(shè)備設(shè)計、制造、安裝中出現(xiàn)的與金屬材料相關(guān)的問題以及運(yùn)行中因材料老化、性能下降等因素引起的各類事故，從而減少設(shè)備非計劃停運(yùn)的次數(shù)和時間，提高設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性，延長設(shè)備的使用壽命。

(2) 對新建及改造機(jī)組開展技術(shù)監(jiān)督是工程建設(shè)的重要一環(huán)，技術(shù)人員通過技術(shù)資料審閱、試驗(yàn)見證、現(xiàn)場檢查等方式，開展全面的設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督與工程隱患排查，做到關(guān)口前移、防微杜漸。

4 結(jié) 論

轉(zhuǎn)輪運(yùn)行過程中因受氣泡破裂、尖銳溝槽等因素作用，葉身處于高周脈動應(yīng)力工況，且出水邊處于高周脈動峰值應(yīng)力狀態(tài)，裂紋在應(yīng)力集中處起裂并沿著葉身強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)薄弱區(qū)域向進(jìn)水側(cè)擴(kuò)展，最終造成葉片開裂。

(1) 水輪機(jī)葉片及焊縫為粗晶鑄鋼材料，超聲型號衰減較大，為提高檢測信噪比及缺陷檢出率，應(yīng)當(dāng)選取窄脈沖、低頻率的縱波斜探頭。

(2) 大量資料證實(shí)，造成葉片開裂失效的主要形式為內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力[5]。 內(nèi)應(yīng)力主要來源于檢修維護(hù)期間的焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力會大幅度降低葉片與轉(zhuǎn)輪的抗疲勞強(qiáng)度；工作應(yīng)力主要與葉片的工作環(huán)境有關(guān)。

(3) 葉片材質(zhì)為馬氏體不銹鋼(ZGOCr13Ni4 Mo)，上冠材質(zhì)為ZG20SiMn。 葉片與上冠及下環(huán)焊縫連接處多采用馬氏體不銹鋼焊條連接。 焊縫組織以馬氏體或奧氏體為主，此類馬氏體鋼焊接接頭存在冷裂和脆化現(xiàn)象，焊接殘余應(yīng)力較大。 此類焊接缺陷危害較大，多以縱向裂紋為主，在檢修過程中，無法通過表面檢測手段將其檢出。

(4) 加強(qiáng)對新建及改造機(jī)組開展技術(shù)監(jiān)督，開展全面的設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督與工程隱患排查。 并根據(jù)檢測結(jié)果制定相應(yīng)處理措施，以保證鑄造、焊接質(zhì)量，防止設(shè)備“帶病上崗”，對機(jī)組安全運(yùn)行意義重大。