摘 要：轉(zhuǎn)輪質(zhì)量是決定水電站水輪機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量和安全性的關(guān)鍵要素，現(xiàn)針對(duì)×××水電站年度停機(jī)檢修過程中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪缺陷，分析了缺陷情況和產(chǎn)生原因，在此基礎(chǔ)上制定了缺陷處理方案，以確保水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水電站；轉(zhuǎn)輪；缺陷；處理

中圖分類號(hào)：TV737" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）01-0062-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.01.015

0" " 引言

×××水電站同時(shí)承擔(dān)著發(fā)電、攔洪和防沙等職責(zé)，全部裝機(jī)容量可達(dá)1 000萬余kW，兩岸廠房分別有9臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪應(yīng)用混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行穩(wěn)定高效。某年年度停機(jī)檢修時(shí)，轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋、銹蝕等缺陷，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定安全性。

1" " 轉(zhuǎn)輪及轉(zhuǎn)輪缺陷概述

水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)，在水電站內(nèi)用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。水電站轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電中的關(guān)鍵部件，一般由葉片、輪轂、上冠和下環(huán)構(gòu)成，其性能直接影響水力發(fā)電的效率和穩(wěn)定性。水電站轉(zhuǎn)輪的工作是基于水流的動(dòng)力學(xué)原理，當(dāng)水流經(jīng)過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（如導(dǎo)葉）時(shí)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來控制水流流量。水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪后，由于水流壓力和轉(zhuǎn)輪葉片的角度變化，水流產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的力，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。目前常見的轉(zhuǎn)輪有混流式轉(zhuǎn)輪、軸流式轉(zhuǎn)輪和沖擊式轉(zhuǎn)輪[2]?；炝魇睫D(zhuǎn)輪水流從四周徑向流入轉(zhuǎn)輪，然后近似軸向流出轉(zhuǎn)輪，可應(yīng)用水頭范圍很廣，從20 m至700 m水頭都有相應(yīng)的產(chǎn)品供使用，最大出力已達(dá)100萬kW。軸流式轉(zhuǎn)輪水流基本沿軸向流入和流出轉(zhuǎn)輪，適用于中、低水頭水電站。沖擊式轉(zhuǎn)輪水流通過噴嘴或噴管射流至轉(zhuǎn)輪的斗葉上，利用水流的沖擊力使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，多用于高水頭、小流量的水電站。

轉(zhuǎn)輪作為水電站水輪機(jī)的核心部件，在運(yùn)行過程中可能會(huì)出現(xiàn)多種缺陷，可能嚴(yán)重影響機(jī)組的性能和安全。常見轉(zhuǎn)輪缺陷包括汽蝕、裂紋、磨損、重量不平衡、鑄造缺陷及變形等。汽蝕是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中，由于水流中的氣泡在壓力變化下潰滅，對(duì)金屬表面產(chǎn)生的剝蝕作用。葉片進(jìn)水邊上下面和轉(zhuǎn)輪室與底環(huán)接縫處容易出現(xiàn)汽蝕，形成剝蝕坑和蜂窩狀坑，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪直徑減小，機(jī)組振動(dòng)加劇[3]。裂紋是轉(zhuǎn)輪在鑄造、焊接或運(yùn)行過程中由于應(yīng)力集中、材料缺陷或外部沖擊等原因產(chǎn)生的缺陷，可能出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)等部位，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致葉片掉塊。裂紋的產(chǎn)生與鑄造缺陷、焊接缺陷、應(yīng)力集中及運(yùn)行條件等多種因素有關(guān)[4]。磨損是指轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中，水流中的泥沙等雜質(zhì)對(duì)轉(zhuǎn)輪表面的沖刷和摩擦作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪表面材料逐漸損失的現(xiàn)象。磨損的程度與水體中的泥沙含量、處理效果及轉(zhuǎn)輪材料的耐磨性等因素有關(guān)。重量不平衡是指轉(zhuǎn)輪在補(bǔ)焊或其他維修過程中，處理不當(dāng)導(dǎo)致葉片重量分布不均勻，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組振動(dòng)的問題，主要是維修過程中操作不當(dāng)或材料選擇不合適等原因?qū)е隆ｈT造缺陷是指在轉(zhuǎn)輪鑄造過程中產(chǎn)生的夾渣、縮孔、疏松等缺陷，會(huì)降低轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度和韌性，鑄造過程中的工藝控制不當(dāng)、材料質(zhì)量問題或模具設(shè)計(jì)不合理等原因都可能導(dǎo)致鑄造缺陷的產(chǎn)生。轉(zhuǎn)輪變形受多種因素影響，水流動(dòng)力、應(yīng)力破壞、材料與制造缺陷都會(huì)導(dǎo)致變形缺陷。

2" " 水電站轉(zhuǎn)輪裂紋研究處理

2.1" " 轉(zhuǎn)輪裂紋情況

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷，對(duì)A、B、C三臺(tái)機(jī)組進(jìn)行PT（滲透探傷）和UT（超聲波探傷）檢測。檢測結(jié)果顯示，A機(jī)組轉(zhuǎn)輪存在1處貫穿性裂紋、3處非貫穿性淺表裂紋、7處線性缺陷。貫穿性裂紋位于3#葉片和下環(huán)組合焊縫的出水邊頂部，葉片負(fù)壓面上裂紋長度130 mm，葉片正壓面上裂紋長度180 mm。淺表裂紋位于葉片出水邊590～695 mm處，長度分別為18、8、6 mm。出水邊980～1 400 mm處有2處5～9 mm的線性缺陷；出水邊145 mm和出水邊頂部分別有1處40 mm和30 mm的線性缺陷；出水邊3 050～3 100 mm處有3處15～70 mm的線性缺陷。B機(jī)組轉(zhuǎn)輪存在4處淺表裂紋和3處線性缺陷。葉片和上冠組合焊縫上距出水邊2 910 mm和2 180 mm處各有一條10 mm的裂紋，下環(huán)和上冠本體上有2處裂紋。出水邊3 250 mm處有2處10 mm的線性缺陷，其中1處處于上冠葉片出水邊的邊緣。另上冠邊緣190 mm處有直徑100 mm的1處腐蝕缺陷。C機(jī)組轉(zhuǎn)輪存在1處淺表裂紋和4處線性缺陷。裂紋長度15 mm，處于5#葉片與下環(huán)組合焊縫的出水邊邊緣位置。出水邊60～370 mm處有3處線性缺陷，長度為6～14 mm；上冠出水邊的邊緣位置有1處10 mm的線性缺陷；其余為氣蝕與凹坑缺陷。

2.2" " 轉(zhuǎn)輪裂紋研究

造成轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的原因主要有兩方面：一是葉片上應(yīng)力集中，葉片端部截面突變、硬度突變、缺口、細(xì)微裂紋等均會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中；二是葉片受到超出抗拉強(qiáng)度的力的作用?？估瓘?qiáng)度（MPa）=力（N）/受力面積（m2），由于受力面積很小，較小的力作用就會(huì)超出葉片材料的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。A機(jī)組3#葉片上的貫穿性裂紋從葉片和下環(huán)組合焊縫的出水邊端部起始（圖1），正處焊縫熱影響區(qū)，并沿進(jìn)水邊延伸。轉(zhuǎn)輪葉片的正壓面受到的作用力比較大，故裂紋長度也較長，而葉片的負(fù)壓面裂紋長度則較短。A機(jī)組轉(zhuǎn)輪3#葉片上的裂紋缺陷曾經(jīng)過修復(fù)達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)（0～300 mm），但在機(jī)組運(yùn)行一年之后，再次在相同位置探測到570 mm的貫穿性裂紋缺陷，經(jīng)修復(fù)處理后，UT和PT檢測結(jié)果均合格。第三年A機(jī)組運(yùn)行期間避開低出力、低水頭，盡可能保證最優(yōu)工況，在年度檢修探傷中PT結(jié)果合格，無裂紋缺陷再出現(xiàn)。綜合轉(zhuǎn)輪制造工藝、檢修記錄及現(xiàn)場分析，A機(jī)組轉(zhuǎn)輪的3#葉片產(chǎn)生貫穿性裂紋缺陷主要是由于焊縫因廠內(nèi)修補(bǔ)形成了淬硬組織，熔敷金屬冷卻過快，凝固的相變應(yīng)力超出抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生葉片端部微裂紋，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行期間微裂紋逐漸擴(kuò)展，最終形成了貫穿性裂紋。

2.3" " 轉(zhuǎn)輪裂紋處理

1）確認(rèn)缺陷位置?；赨T和PT檢測結(jié)果，標(biāo)記轉(zhuǎn)輪葉片上的裂紋位置、長度。

2）焊前準(zhǔn)備。一是預(yù)熱，使用電熱板或氧乙炔火焰將焊接區(qū)和周邊50 mm區(qū)域加熱至70～80 ℃，預(yù)熱溫度用紅外測溫槍進(jìn)行監(jiān)控；二是用碳弧氣刨在裂紋終端20 mm位置設(shè)置止裂孔；三是將裂紋50 mm范圍的油污雜質(zhì)清理干凈，用碳弧氣刨從裂紋尾部向起始端一次性打磨清除裂紋缺陷區(qū)域的滲碳層，預(yù)制焊接坡口。

3）焊接修復(fù)。選擇手工電弧焊方式進(jìn)行焊接，表1為焊接參數(shù)表，焊條使用奧氏體不銹鋼AWS E308L-

16/?3.2，烘干處理后放置于保溫筒；除第一層、蓋面層焊道，每層焊層焊接后要錘擊釋放應(yīng)力；為確保焊后能夠打磨平整，焊縫表面要比母材高1～3 mm。正面坡口修補(bǔ)完成后，在背面用碳弧氣刨清根并打磨坡口，背面坡口采取多層多道焊，如圖2和圖3所示。焊接后要將焊縫和熱影響區(qū)用阻燃布蓋住，防止冷卻過快。

4）焊后處理檢測。對(duì)修復(fù)區(qū)域用磨光機(jī)粗磨之后，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷做UT和PT檢測，確保無裂紋、夾渣、氣孔等缺陷。探傷合格后，參考葉片原型線，對(duì)修復(fù)區(qū)域做精磨處理和葉片型線檢測，確保符合要求。

3" " 水電站轉(zhuǎn)輪銹蝕研究處理

3.1" " 轉(zhuǎn)輪銹蝕情況

年度停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)D機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片的正壓面靠近上冠區(qū)域，特別是磨花接縫位置出現(xiàn)集中性的黃色、紅色銹蝕缺陷，部分銹蝕斑點(diǎn)位置有泥沙流掛的痕跡，如圖4所示。銹蝕斑點(diǎn)主要有兩種，一種斑點(diǎn)區(qū)域?yàn)榧t色，周邊區(qū)域?yàn)辄S色，斑點(diǎn)中心有針型的小孔，將表面覆蓋層清理后即可見葉片本色；另一種斑點(diǎn)有凸起的泥包，清理后露出針孔，針孔下有約2 mm的空腔，打磨后葉片表面沒有出現(xiàn)裂紋。

3.2" " 轉(zhuǎn)輪銹蝕研究

D機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片上的銹蝕小孔周邊多為紅色、黃色斑點(diǎn)，孔口形狀不規(guī)則，孔深與孔口直徑相等或偏大，類似于金屬點(diǎn)腐蝕，因此可初步確認(rèn)銹蝕為點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。點(diǎn)腐蝕多出現(xiàn)在金屬淺表面，產(chǎn)生原因一是金屬鑄造時(shí)表面組織緊致度不足，粘附有非金屬夾渣，導(dǎo)致表面局部腐蝕；二是氧化劑、活性離子對(duì)金屬表面鈍化膜造成了局部破壞。金屬淺表面的腐蝕會(huì)迅速擴(kuò)散，進(jìn)而出現(xiàn)小孔、蝕點(diǎn)現(xiàn)象，蝕點(diǎn)形態(tài)不規(guī)則，分布不規(guī)律，縱向擴(kuò)散速度很快。蝕點(diǎn)周圍的金屬陽極會(huì)溶解形成腐蝕坑穴，如未及時(shí)處理，可能出現(xiàn)金屬蝕穿問題。

經(jīng)檢查分析，D機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕問題的主要原因包括微生物附著和沙礫磨損。硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細(xì)菌是造成金屬腐蝕的主要微生物，其中SRB包括異化硫酸鹽還原細(xì)菌、異化硫還原細(xì)菌，在pH值5.5～9.0的厭氧環(huán)境中繁殖很快，且具有極強(qiáng)破壞性，通過在金屬表面與硫酸鹽還原生成硫化膜；鐵細(xì)菌生存在酸性好氧環(huán)境中，能夠氧化二價(jià)鐵。該水電站過機(jī)水流的pH值監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，過機(jī)江水的pH值長期處于8.09～8.52的范圍。對(duì)D機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片和活動(dòng)導(dǎo)葉上的泥包進(jìn)行譜能分析，C、O和S元素的含量均較高，其中S極有可能是SRB的還原產(chǎn)物，可證明SRB存在。因水流沖擊會(huì)將泥包沖走，故斷定泥包是停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的。根據(jù)運(yùn)行日志，D機(jī)組在當(dāng)年有38天停機(jī)待檢修，轉(zhuǎn)輪一直浸泡在水中，泥沙沉積形成無氧環(huán)境滋生了SRB，點(diǎn)蝕部位上的小孔為細(xì)菌提供了聚集條件，因轉(zhuǎn)輪出廠時(shí)的保護(hù)漆膜在運(yùn)行期間部分剝離出現(xiàn)的小淺坑也有利于SRB聚集。SRB腐蝕葉片后產(chǎn)生點(diǎn)蝕，泥包則會(huì)覆蓋孔口，并在葉片表面向下垂直擴(kuò)散，SRB隨之繁殖，腐蝕區(qū)域擴(kuò)散，不斷加劇腐蝕。

根據(jù)水電站過機(jī)泥沙分析報(bào)告，長石和石英是泥沙中的主要礦物質(zhì)，為硬質(zhì)顆粒。通過元素能譜分析可知，D機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉上的大量白色顆粒物為碳酸鈣。機(jī)組運(yùn)行期間，水流裹挾的硬質(zhì)沙礫會(huì)撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，擦刮損傷葉片過流面上的鈍化膜，腐蝕介質(zhì)和葉片內(nèi)部產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。此外，D機(jī)組使用的轉(zhuǎn)輪葉片在制造過程中為了外表美觀，通過拋光進(jìn)行了磨花處理，但是在花紋重疊位置由于過度拋光葉片表面局部粗糙度降低，鈍化膜被破壞，推測這也是銹蝕缺陷出現(xiàn)的原因之一。

3.3" " 轉(zhuǎn)輪銹蝕缺陷處理

1）確認(rèn)缺陷位置。基于PT檢測結(jié)果，標(biāo)記轉(zhuǎn)輪葉片上的缺陷位置。

2）焊前準(zhǔn)備。用旋轉(zhuǎn)銼將銹蝕缺陷區(qū)域的表面覆蓋層清理干凈；使用電熱板或氧乙炔火焰將焊接區(qū)和周邊50 mm區(qū)域加熱至80 ℃以上，預(yù)熱溫度用紅外測溫槍進(jìn)行監(jiān)控。

3）焊接修復(fù)。選擇手工電弧焊方式進(jìn)行焊接，焊條使用奧氏體不銹鋼AWS E308L-16/?3.2，烘干處理后放置于保溫筒，使用時(shí)再取出焊接。焊接結(jié)束后用磨光機(jī)進(jìn)行打磨拋光，使粗糙度符合圖紙標(biāo)準(zhǔn)。

4）焊后處理檢測。焊接修復(fù)完成后，先進(jìn)行目視外觀檢查，然后按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行PT檢測，修復(fù)深度大于10 mm的區(qū)域進(jìn)行UT檢測。

4" " 水電站轉(zhuǎn)輪線形和圓形缺陷研究處理

4.1" " 轉(zhuǎn)輪線形和圓形缺陷情況研究

A、B、C三臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪均存在不同程度的線形和圓形缺陷，長度較短且有一定寬度，部分線形缺陷呈U型，主要產(chǎn)生于轉(zhuǎn)輪制造過程中的焊接環(huán)節(jié)，如圖5所示。熔敷金屬凝固、焊縫清根過程中的非金屬渣粘附在焊縫淺表層，UT和PT檢測均無法識(shí)別顯現(xiàn)這些淺表性缺陷，隨著機(jī)組運(yùn)行，水流將非金屬渣沖刷掉之后，就會(huì)檢測到線性缺陷。焊接期間由于操作不穩(wěn)定，焊槍移動(dòng)過程中有空氣卷入產(chǎn)生氣孔，最終出現(xiàn)圓形缺陷，如圖6所示。

4.2" " 轉(zhuǎn)輪線形和圓形缺陷處理

1）確認(rèn)缺陷位置?；赑T檢測結(jié)果，標(biāo)記轉(zhuǎn)輪葉片上的缺陷位置。

2）清理修復(fù)。用旋轉(zhuǎn)銼將線形缺陷處理至無目視可見缺陷后，使用手工電弧焊作補(bǔ)焊處理。

3）焊后處理檢測。用磨光機(jī)打磨拋光修復(fù)區(qū)域，確保表面粗糙度達(dá)標(biāo)。目視檢查修復(fù)區(qū)域合格后，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第Ⅷ卷進(jìn)行PT檢測，修復(fù)深度大于10 mm的區(qū)域進(jìn)行UT檢測。

5" " 結(jié)束語

本文通過研究分析×××水電站轉(zhuǎn)輪運(yùn)行期間出現(xiàn)的裂紋、銹蝕、線形和圓形缺陷，提出了相應(yīng)的處理方案，基本解決了該水電站轉(zhuǎn)輪的缺陷問題。此外，為有效避免后續(xù)再次出現(xiàn)類似缺陷問題，建議取消轉(zhuǎn)輪制造過程中的磨花工藝，改善大軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)，從而降低機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)，同時(shí)優(yōu)化運(yùn)行工況。

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收稿日期：2024-09-05

作者簡介：孫吉（1987—），男，浙江杭州人，工程師，研究方向：質(zhì)量工具（例如六西格瑪、FMEA、MSA等）在水電行業(yè)的應(yīng)用。