王志楠，沈華哲，劉功亮，楊偉坡

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗分公司，廣東 廣州 511400）

0 前言

轉(zhuǎn)輪是抽水蓄能機組能量轉(zhuǎn)化的核心部件，也是機組研發(fā)、制造難度最大、困難最多的關(guān)鍵部件。現(xiàn)階段大型蓄能機組水輪機轉(zhuǎn)輪基本采用鑄焊結(jié)構(gòu)，由上冠、下環(huán)、葉片組焊而成。針對轉(zhuǎn)輪的使用環(huán)境及制造工藝要求，轉(zhuǎn)輪材料通常應具備如下性能：

（1）足夠的強度、塑韌性以及水下抗疲勞性能；

（2）較好的耐空蝕性能；

（3）優(yōu)良的耐磨損性能。

1 轉(zhuǎn)輪材質(zhì)發(fā)展歷程

隨著低碳鋼、超低碳鋼材料的研究及現(xiàn)代化加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，抽水蓄能機組的設計研發(fā)、制造水平也有了很大的提高。其中轉(zhuǎn)輪鑄造材料也不斷的更新?lián)Q代，由之前的Z5CN 17 04-M（下述簡稱 17-4）、06Cr16Ni5Mo（下述簡稱 16-5），到近 30年來國內(nèi)外轉(zhuǎn)輪廠家廣泛應用的06Cr13Ni4Mo（下述簡稱13-4）。而鋼中C元素是一種強烈的奧氏體擴大元素。若含量過低，鋼會失去淬火能力；若含量過高，鋼的強度和硬度將會提高，但是塑性和韌性降低，將會導致焊接性能變差。鐵研式試驗證明，含C=0.084%的母材的裂紋率顯著高于含C=0.036%的母材[1]。17-4、16-5材料中 C、Cr含量較 13-4稍高，而Cr元素含量是不銹鋼耐腐蝕性能的標志，一般選擇將Cr含量控制在略高于臨界含量水平，即11.5%～14%[2]。故 17-4、16-5比 13-4鑄造的轉(zhuǎn)輪有更強的耐磨性及耐腐蝕性能，更適合于腐蝕性較強的介質(zhì)中使用，但是其加工制造難度較大，成本較高。13-4在傳統(tǒng)ZG10Cr13不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過降低C含量并增加適量的Ni和Mo元素來改善其綜合性能，一方面使鑄態(tài)組織單一的低碳板條馬氏體具有優(yōu)良的綜合力學性能，同時也使其具有優(yōu)異的鑄造、焊接性能以及良好的強韌性。故其綜合性能較好，制造難度、價格性價比都是較高的。

表1 16-5母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）及機械性能

表2 13-4母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）及機械性能

2 轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的主要原因

2.1 設計方面

水泵水輪機轉(zhuǎn)輪在設計過程中的每一個環(huán)節(jié)都與轉(zhuǎn)輪最終的性能與質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系，對轉(zhuǎn)輪在運行使用中的疲勞壽命更有著關(guān)鍵影響。

蓄能機組轉(zhuǎn)輪由葉片、上冠、下環(huán)三部分組成，葉片與上冠、下環(huán)處都屬于T型接頭焊接，一般葉片兩端與上冠、下環(huán)焊接處均為滿焊，故兩端的焊接熱影響區(qū)內(nèi)可能存在一定的應力集中[3]。所以轉(zhuǎn)輪裂紋一般發(fā)生在葉片兩端，即葉片與上冠、下環(huán)焊接處。因此葉片與上冠、下環(huán)接合部位焊縫圓弧處的過度半徑大小設置尤為重要。加工制造方面，葉片與上冠、下環(huán)各部件的倒角應適當修圓，近表面光潔度應滿足要求，避免由于光潔度不滿足造成氣蝕，逐漸演變?yōu)榱鸭y。

2.2 制造方面

在制造過程中，因鑄造及焊接工藝和方法不當造成的組織疏松、氣孔、砂眼、夾渣、微裂紋、欠熔或過熔等缺陷。一般超標的鑄造、焊接缺陷，在機組投運初期由于應力集中作用就會顯現(xiàn)出來。除此之外，焊接殘余應力也應該是值得關(guān)注的對象。焊接前母材預熱、焊接過程中的工藝及各參數(shù)控制等都是決定是否產(chǎn)生殘余拉應力的因素。若是多層焊時，每層焊接完成后采取錘擊措施，焊接后相關(guān)熱處理等都能夠取得降低焊接殘余應力的效果。若上述工藝不當，其結(jié)果也是使焊接金屬及其熱影響區(qū)承受動載荷的能力降低，隨著機組運行時轉(zhuǎn)輪交變應力的作用，促進了裂紋的萌生和擴展。

2.3 運行條件

水泵水輪機在實際運行過程中，其流量、水頭、負荷總是變化的，且蓄能機組運行工況較為復雜。轉(zhuǎn)輪葉片在運行期間不僅承受重力、離心力、水壓力和殘余應力，還要承受高速水流的沖擊力及各種水力脈動因素誘發(fā)的振動（尤其是共振）產(chǎn)生的交變應力。在機組開機、停機或負荷增減過程中，由于機械、水力、電氣等物理量的不平衡，引起機組劇烈振動。劇烈的振動也會使葉片與上冠、下環(huán)焊接處產(chǎn)生裂縫或加劇內(nèi)部微觀裂紋的惡化[3]。

3 廣州蓄能水電廠2號機組轉(zhuǎn)輪裂紋處理

廣州蓄能水電廠（下述簡稱廣蓄）A廠機組水泵水輪機由法國Neyrpic公司制造，為單級、立軸、混流可逆式，采用下拆方式。轉(zhuǎn)輪由17-4（Z5CN1704M）不銹鋼整鑄，有7個葉片，直徑為3 886 mm。2號機組繼2005年第一輪大修后，于2019年9月開始第二輪大修。按照檢修規(guī)程，第二次大修期間現(xiàn)場分別使用PT、MT兩種探傷方法對轉(zhuǎn)輪如圖1所示部位進行了探傷檢測。檢測發(fā)現(xiàn)4號葉片出水邊R角處、5號葉片下環(huán)焊縫兩處熱影響區(qū)均存在明顯的線性缺陷。如圖2所示。

圖2 4號、5號葉片裂紋示意圖

本次葉片裂紋是在機組運行了將近20年才顯現(xiàn)，可以說明裂紋并不是由葉片的材料或鑄造時焊接質(zhì)量引起的（此原因引起的裂紋一般都會在機組投運初期即可發(fā)生）。應屬于長期作用在葉片上的交變應力引起的疲勞裂紋。隨著機組20年來的運行，轉(zhuǎn)輪葉片疲勞強度已在逐漸降低，在經(jīng)過一段時間的頻繁開停機、高水頭運行，葉片承受的交變載荷已超過了葉片疲勞強度極限導致裂紋。

廣蓄2號機組轉(zhuǎn)輪裂紋修復過程如下：

（1）裂紋部位的清理：用角向磨光機對經(jīng)過100%PT+100%MT檢測精準定位后的缺陷部位進行逐層打磨，每次打磨厚度在1～2 mm范圍內(nèi)，打磨期間反復進行100%PT+100%MT檢測，直至確認漏出的母材無缺陷。經(jīng)過逐層打磨探傷，最終確認4號葉片出水邊R角處裂紋深20 mm，長70 mm，5號葉片與下環(huán)焊縫處裂紋深30 mm，長190 mm。

（2）焊材準備：三相及以上組織焊材中含有的奧氏體屬于面心立方結(jié)構(gòu)，每個滑移面有3個滑移方向，而馬氏體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，每個滑移面有2個滑移方向，滑移方向多的晶體塑性較好，不易產(chǎn)生裂紋[4]。故現(xiàn)場選用多相式不銹鋼焊材G367M（主要以奧氏體為主），能同時滿足鐵素體、馬氏體、奧氏體等多種金相組織結(jié)構(gòu)金屬的焊接。且蓄能電廠轉(zhuǎn)輪都是成型的，只是在有缺陷的局部位置進行修復，所以局部焊接修復時必須能夠很好的適應成型轉(zhuǎn)輪，即要求焊接時產(chǎn)生的應力越小越好。而G367M不銹鋼焊材奧氏體含量相對較多，焊接時塑型較好，故其焊接時應力分散效果更好，不容易出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。其化學成分如表3。馬氏體不銹鋼焊接主要問題是對氫致裂紋比較敏感。因氫離子穿刺性較強，其含量過多會比較容易造成冷裂紋。而氫離子可能來自焊材或者母材中的水分。故選用的G367M焊條在使用前需在烘干箱中按照350～400 ℃烘干2 h后在100～150 ℃的恒溫箱中保存，領(lǐng)用時用保溫筒存放，保溫筒應持續(xù)通電保溫。

表3 焊條熔敷金屬化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

（3）焊接過程：將轉(zhuǎn)輪葉片缺陷區(qū)域及周圍200 mm范圍清掃干凈，并用熱風槍預熱至80℃，加熱過程中使用手持式測溫筆進行監(jiān)控（熱風槍升溫溫和性較好，是現(xiàn)場較理想的預熱工具）。保溫1 h后按照表4的焊接工藝進行補焊修復工作。多層多道焊接過程中需監(jiān)控焊接層間溫度，每層焊接完成后采取錘擊措施來降低焊接應力?？刂坪附訒r的層間溫度的目的是為了避免組織變化及消除應力。層間溫度高，焊接接頭融合區(qū)的熱影響區(qū)的馬氏體束會變大，晶粒粗大，形成低塑性馬氏體組織，造成脆性降低，在焊接應力的作用下很容易產(chǎn)生裂紋[5]。焊接過程中線能量包括電壓、電流、焊接速度3項要點。第一道焊接時電流可以適當增大，是為了使得焊接溫度高一點。第二道焊接時可適當調(diào)小，避免電流過大使得熱點輸入過大導致層間溫度過高，造成應力集中，熱變形過大。電流與層間溫度互相協(xié)調(diào)，當層間溫度過高時，電流適當調(diào)小，即減少熱輸入量，反之，電流適當增大。焊后再焊接一層作為回火層，回火層至母材約為1～2 mm，便于待焊接區(qū)域冷卻至室溫后，進行隨形打磨處理。如下圖3所示。

表4 G367M焊條焊接規(guī)范

（4）焊后探傷試驗：保溫緩冷至室溫和焊后48 h后分別對補焊部位進行100%PT+100%MT檢查，無線形缺陷顯示或顯示直徑超過2 mm的圓形缺陷。

圖3 葉片修復回火層焊接示意圖

4 總結(jié)

為盡可能減少轉(zhuǎn)輪形成裂紋，保證機組轉(zhuǎn)輪無故障長期運行，建議應采取如下措施：

（1）避免或減少機組在低負荷、超負荷或不穩(wěn)定工況下運行的時間。

（2）減少機組開／停機或負荷變動次數(shù)。

（3）對單機容量大、高水頭、高轉(zhuǎn)速的蓄能機組轉(zhuǎn)輪，應科學的制定相應檢查周期，對轉(zhuǎn)輪應力集中、易產(chǎn)生裂紋的部位周期性的進行無損探傷檢測是十分有必要的[6]。現(xiàn)場打磨修復時必須使用不銹鋼專用拋光輪及拋光片，避免轉(zhuǎn)輪碳污染。

（4）新建電廠業(yè)主在驗收轉(zhuǎn)輪時，可要求鑄造廠家進行轉(zhuǎn)輪產(chǎn)品試塊，即使用與轉(zhuǎn)輪同批次的相同材料、焊材，同樣的焊接參數(shù)進行焊縫模擬，與轉(zhuǎn)輪同時進行熱處理，最后進行焊縫檢驗，從而可以更好的檢驗轉(zhuǎn)輪鑄造質(zhì)量。