摘要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片裂紋嚴(yán)重威脅著電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。東江水電廠在2013年機(jī)組檢修期間，對(duì)東江水電站3號(hào)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行三角補(bǔ)強(qiáng)處理，并在補(bǔ)強(qiáng)運(yùn)行一年后停機(jī)檢查。文章以此為例，淺析了轉(zhuǎn)輪裂紋頻繁出現(xiàn)的原因和處理辦法，為今后徹底處理轉(zhuǎn)輪葉片裂紋等問(wèn)題提供了相關(guān)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：東江水電站；裂紋原因；無(wú)損檢測(cè)；裂紋處理；三角加強(qiáng)筋 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK730 文章編號(hào)：1009-2374（2015）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.039

1 概述

大東江電站機(jī)組最高水頭：139m，最低水頭：81m，安裝高程：▽144m，設(shè)計(jì)額定功率：125MW，增容改造后，額定功率為：145MW。機(jī)組轉(zhuǎn)輪采用整體鑄焊結(jié)構(gòu)。葉片、上冠和下環(huán)均采用低碳馬氏體不銹鋼ZG06Cr13Ni5Mo材料。經(jīng)投運(yùn)至今，每年進(jìn)行例行檢修時(shí)，都會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片上存在不同程度的裂紋，有些裂紋多次出現(xiàn)，對(duì)我廠機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大影響。

2 葉片裂紋原因

大東江水電站3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪至2003年投運(yùn)以來(lái)，幾乎每年都會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋（表1），而且絕大部分裂紋集中出現(xiàn)在上冠出水邊，裂紋大都呈貫穿性，許多裂紋有著嚴(yán)重的復(fù)發(fā)性。

葉片產(chǎn)生裂紋的原因有很多，主要有：（1）葉片毛坯有缺陷：葉片鑄件有夾渣、氣孔和微觀裂紋等，它往往形成裂紋源，從而導(dǎo)致葉片開裂；（2）轉(zhuǎn)輪制造設(shè)備欠佳，產(chǎn)品精度差異大。3號(hào)機(jī)組葉片厚薄不均，出水邊厚度最小的只有7.6mm，最大達(dá)13mm。在某些不利的條件運(yùn)行時(shí)，如出現(xiàn)水流受到干擾、不規(guī)律開停機(jī)、導(dǎo)葉開度改變、卡門渦列或空化等，葉片受到交變應(yīng)力會(huì)誘發(fā)焊縫產(chǎn)生疲勞開裂；（3）受條件所限，電站現(xiàn)場(chǎng)處理焊材與母材成分不一致，導(dǎo)致熔合區(qū)成分復(fù)雜，焊接接頭強(qiáng)度不均，焊接熱影響區(qū)內(nèi)存在晶粒粗大的魏氏組織，該組織可以改變接頭力學(xué)性能，降低接頭的塑性、韌性。

3 裂紋檢測(cè)方法

在機(jī)組檢修時(shí)，可通過(guò)無(wú)損檢測(cè)來(lái)檢驗(yàn)葉片是否存在裂紋，電站常用的方法有：

3.1 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)方法簡(jiǎn)單直觀，是檢測(cè)葉片表面裂紋的主要手段，一般對(duì)葉片上冠出水邊區(qū)、下冠出水邊區(qū)等組焊位置進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 超聲檢測(cè)

超聲波探傷方法對(duì)裂紋、未熔合內(nèi)部缺陷的檢出率較高，適宜檢驗(yàn)較大厚度的工件，一般采用低頻探頭掃描，再用高頻探頭精確查找與定位。

4 葉片裂紋常規(guī)處理

4.1 處理方式

4.1.1 熱焊即補(bǔ)焊加整體或局部熱處理，適當(dāng)?shù)臒崽幚韺?duì)改善裂紋修復(fù)區(qū)的金屬組織性能、降低焊接殘余應(yīng)力、提高接頭抗疲勞裂紋都有很好的效果，低碳馬氏體不銹鋼焊縫在退火后韌性和塑型相對(duì)應(yīng)焊后狀態(tài)大

幅提升，但熱處理設(shè)備復(fù)雜，電廠現(xiàn)場(chǎng)基本達(dá)不到條件。

4.1.2 冷焊即焊后不進(jìn)行熱處理的焊接工藝，它使現(xiàn)場(chǎng)的工作量最小化，勞動(dòng)條件較好，但焊后接頭組織和內(nèi)應(yīng)力難以得到有效的改善，電廠中一般都以冷焊為主。

4.2 焊接工藝

4.2.1 焊條選擇：根據(jù)焊條選用原則，應(yīng)選擇與葉片成分結(jié)構(gòu)相同的低碳馬氏體焊條，但該焊條使用條件苛刻，且焊后需要熱處理，不適用于電廠現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)構(gòu)件不便熱處理時(shí)，可采用奧氏體焊材。它的焊縫金屬為奧氏體組織，具有較高的塑型和韌性，能融入較多的固溶氫，在一定程度上限制了擴(kuò)散氫在缺陷內(nèi)部聚集，低溫條件下有H+H→H2的反應(yīng)，減少了焊縫擴(kuò)散氫含量，降低接頭形成冷裂的傾向。但奧氏體焊縫強(qiáng)度與母材不匹配，故選用奧氏體焊材時(shí)，同時(shí)要考慮母材稀釋的影響。綜合各方面因素，現(xiàn)場(chǎng)選擇GB E318V-15（CHS237）焊條，它是低碳Cr18Ni12Mo2V不銹鋼焊條，由于熔敷金屬含V，故具有良好的耐熱性和抗裂性。

4.2.2 工藝參數(shù)：焊條烘干溫度：250℃～300℃，時(shí)間2h；電流極性：直流反接；電流范圍：80～180A；碳弧氣刨：速度0.5～1.0m/min；氣刨電流250～350A。

4.3 裂紋清理

4.3.1 阻止裂紋延伸。對(duì)于較長(zhǎng)的裂紋，通常用碳弧氣刨來(lái)增加裂紋清理效率。若氣刨過(guò)程中裂紋仍在延伸，必須在裂紋尾部10cm打止裂孔，孔深比裂紋深4～6mm。碳弧氣刨容易產(chǎn)生高硬度滲碳層，所以經(jīng)氣刨后的坡口要風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)打磨至露出金屬本澤。

4.3.2 坡口及裂紋清理。（1）對(duì)于非貫穿型裂紋，對(duì)裂紋進(jìn)行氧-乙炔火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度在40℃～60℃之間。碳棒與葉片夾角為30°～45°。刨出U型坡口，進(jìn)行滲碳層打磨，坡口必須經(jīng)滲透檢測(cè)。確認(rèn)裂紋清理干凈后方可進(jìn)行焊接；（2）對(duì)于貫穿型裂紋，先在迎水面對(duì)裂紋進(jìn)行清除1/3葉片深度并開U型坡口（圖1），打磨滲碳層，進(jìn)行多層多道焊。待迎水面坡口堆焊完成，驗(yàn)收合格后，再對(duì)背水面剩余2/3深度的裂紋進(jìn)行清理，同樣開U型坡口，打磨滲碳層后經(jīng)滲透檢測(cè)，確認(rèn)裂紋全部清理完，方可開始背水面的焊接。

4.4 補(bǔ)焊步驟

4.4.1 用氧-乙炔火焰預(yù)熱坡口，溫度為80℃～150℃，范圍為坡口兩側(cè)各10cm，預(yù)熱時(shí)來(lái)回移動(dòng)火焰，使其受熱均勻。

4.4.2 保溫筒中取出CHS237焊條進(jìn)行坡口打底焊。焊接時(shí)層間溫度控制在120℃～200℃之間。焊接完成或中途停焊和停焊后重新起焊都要對(duì)焊縫和母材進(jìn)行加溫到80℃～150℃。

4.4.3 坡口填充焊時(shí)每層焊縫都需要用風(fēng)鏟或小錘錘擊，以清除焊渣、釋放焊接內(nèi)應(yīng)力。

4.4.4 焊接長(zhǎng)度在200mm以上的，采用分段退焊方法，該焊接手法可以大幅消減焊接接頭高應(yīng)力區(qū)域。焊接順序采用先焊兩端后焊中間的方法（圖2）。該焊接順序可以起到降低焊接危險(xiǎn)區(qū)域的拉應(yīng)力峰值的作用。

4.4.5 對(duì)止裂孔進(jìn)行補(bǔ)焊，待所有補(bǔ)焊完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨修平。為避免漏檢冷裂紋，選擇在焊后24h后進(jìn)行無(wú)損，若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，繼續(xù)進(jìn)行清理補(bǔ)焊。

4.4.6 對(duì)焊縫進(jìn)行拋光處理，保證葉片與上冠、下環(huán)焊接R角的同時(shí)，對(duì)于葉片出水邊靠上冠、下環(huán)焊縫處的棱角，打磨成圓弧過(guò)渡（約R2～R3），以減少應(yīng)力集中。

5 三角補(bǔ)強(qiáng)筋處理

針對(duì)大東江3號(hào)機(jī)組上冠出水邊裂紋頻發(fā)的情況，東江水電廠和轉(zhuǎn)輪廠家聯(lián)合設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)輪葉片三角補(bǔ)強(qiáng)方案，該方案主要通過(guò)徹底清除裂紋頻發(fā)位置，增焊補(bǔ)強(qiáng)筋來(lái)達(dá)到抑制裂紋的目的。

5.1 刨除補(bǔ)強(qiáng)位置

利用補(bǔ)強(qiáng)筋的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，對(duì)裂紋頻發(fā)的上冠出水邊區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記畫線，通過(guò)碳弧氣刨槍清理出三角區(qū)域，清理滲碳層，打磨出標(biāo)準(zhǔn)坡口，利用無(wú)損檢測(cè)確認(rèn)坡口位置無(wú)裂紋等缺陷。

5.2 補(bǔ)焊三角補(bǔ)強(qiáng)筋

將補(bǔ)強(qiáng)筋裝配好，利用上述焊接工藝來(lái)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)筋進(jìn)行補(bǔ)焊，同時(shí)補(bǔ)焊時(shí)要隨時(shí)進(jìn)行錘擊來(lái)釋放焊接接頭內(nèi)應(yīng)力。補(bǔ)焊完成后對(duì)焊縫進(jìn)行打磨拋光，補(bǔ)焊凹點(diǎn)。最后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，若出現(xiàn)超標(biāo)缺陷則繼續(xù)返修。

6 結(jié)論與建議

（1）在條件允許的情況下，盡可能返廠進(jìn)行熱焊修復(fù)。即使只能冷焊處理時(shí)，也要嚴(yán)格遵守現(xiàn)場(chǎng)施工工藝；（2）一些復(fù)發(fā)性裂紋，由于母材經(jīng)多次焊接，導(dǎo)致內(nèi)部成分復(fù)雜，所以歷年來(lái)占葉片裂紋的主導(dǎo)位置，但經(jīng)過(guò)2013年三角補(bǔ)強(qiáng)工藝后可看出，該工藝對(duì)復(fù)發(fā)性裂紋有一定的效果，可以為今后復(fù)發(fā)性裂紋的處理提供一定依據(jù)；（3）大東江3號(hào)機(jī)組三角補(bǔ)強(qiáng)筋工藝未改變?nèi)~片上冠出水邊的結(jié)構(gòu)（設(shè)計(jì)人員認(rèn)為該區(qū)域結(jié)構(gòu)與卡門渦現(xiàn)象無(wú)關(guān)），僅僅去除原葉片裂紋頻發(fā)修焊區(qū)域并用同材料三角補(bǔ)強(qiáng)筋修復(fù)葉片，根據(jù)處理效果來(lái)看，不是很理想。而其他3臺(tái)后續(xù)改造的機(jī)組葉片厚度稍有增加則裂紋控制情況大為改善?？梢?，改造后的大東江機(jī)組轉(zhuǎn)輪上冠與出水邊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是控制裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘羅平，唐澍.水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[A].中國(guó)科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)電力分會(huì)場(chǎng)暨中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2004.

[2] 鄭吉偉，戚彩夢(mèng).00Cr13Ni5Mo焊接接頭組織性能和顯微硬度關(guān)系的研究[J].黑龍江科技信息，2007，（19）.

[3] 郭宏俠，陸善平.0Cr13Ni5Mo類低碳馬氏體不銹鋼焊接技術(shù)[J].焊接技術(shù)，2011，19（11）.

[4] 李亞江.焊接冶金學(xué)——材料焊接性[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[5] 姬書得，陳小兵，方洪淵，李雅范，過(guò)潔.分段焊的焊接順序?qū)D(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的影響[J].大機(jī)電技術(shù)，2008，（5）.

作者簡(jiǎn)介：吳壽濤（1988-），男，湖南省東江水力發(fā)電廠助理工程師，研究方向：水電金屬部件的焊接維護(hù)與監(jiān)督。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）