水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施

水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施
水轮机转轮裂纹缺陷是水电站普遍存在的问题，严重影响着机组整体的安全运行，因而对此类缺陷的检查和处理工作是水电厂的重要工作。

为了有效控制和减少转轮叶片裂纹，对裂纹产生的原因进行正确的诊断，并积极采取一些有针对性的预防措施，以避免该问题的发生，有利于确保水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。

本文就水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施进行简单的阐述。

标签：水轮机转轮叶片；裂纹成因；处理措施
水轮发电机组在运行中，由于工艺、水力因素等原因，转轮叶片很容易产生裂纹甚至断裂，导致的结果是机组的寿命减小，停机检修时间长，电站的经济损失也相应增大。

因此，确保转轮的性能满足要求，是机组设计的关键。

1工程概况
新安江水电厂装设8台9.5万kW和1台9万kW的混流式机组，总装机容量为85万kW。

新安江水电厂是1座综合型电站，兼顾发电、防汛为一体。

1号机组发电机型号为TS854/156-40，水轮机型号为HLS66.46-LJ-410，额定流量135m3/s，转轮直径 4.1m。

水轮机转轮有13个叶片，转轮叶片的材料为ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，真空精密铸造。

机组最大水头85.4m，设计水头73m，最小水头59.96m，额定转速为59.96r/min。

1号机组于1960年并网发电，并于2002年3月至10月进行增容改造大修后投入运行。

2013年3月，在1号机进行B级大修期间，检修人员对1号机组的转轮叶片进行了超声波探伤检查。

探伤结果显示，1号转轮叶片背部有一条长为115mm，宽为6mm，深度为3.5mm的裂纹；2号转轮叶片出水边根部有一条长为85mm，宽为4.1mm，深度为1.9mm的裂纹；4号转轮叶片出水边根部有一条长为80mm，宽为4.3mm，深度为1.4mm的裂纹和一条长为92mm，宽为3.6mm，深度为2.8mm 的裂纹，上述裂纹都对转轮叶片安全运行造成较大的危害，严重影响机组的安全、稳定运行。

2水轮机转轮叶片裂纹成因
2.1当机组在低水头以及非最优工况下运行时，机组工况较差，转轮出口水流将形成环流，在尾水管中就会出现涡带，涡带呈涡旋状摆动，涡带的摆动在管壁上形成水流的压力脉动，从而导致机组振动加大。

若机组长期在振动区域内运行，就会使转轮叶片在交变应力的作用下产生裂纹﹑裂缝，加剧转轮叶片金属材料的机械疲劳，从而使裂纹程度加重。

2.2在对1号机组进行检修时发现，转轮叶片的焊接质量不过关，焊后热处理不到位。

焊接工艺不到位及焊缝焊完后的锤击力度不到位会使焊缝存在焊接应力，从而导致转轮叶片内应力集中，使转轮叶片形成疲劳裂纹。

3转轮叶片裂纹的处理措施
3.1将转轮从水车室吊出放置在检修场地后，对转轮叶片表面进行除垢，将其表面的污垢清理干净。

3.2在发现的裂纹上做好标记。

标记应清楚﹑清晰﹑准确。

标记的内容包括转轮叶片裂纹的部位﹑长度﹑宽度和深度，以便检修人员进行补焊。

3.3在对转轮叶片裂纹进行补焊时：①对于转轮叶片深度没有超过2mm的裂纹，可以用砂轮机对转轮叶片的裂纹进行直接打磨。

用砂轮机对转轮叶片的裂纹进行直接打磨时，应选用合格且功率合理的砂轮机和砂轮片，在打磨时应控制好打磨的力度和角度，防止力度过大和角度不合理造成对叶片的损伤。

通过钻头对裂纹钻铰止裂孔，止裂孔的孔径为12mm，止裂孔位置在靠近裂纹末端8mm处，然后沿着止裂孔往裂纹的方向用砂轮机磨出一道宽25mm的沟槽，用30%硝酸酒精进行清洗检查，再用10倍放大镜检查，确定转轮叶片已无裂纹为止。

所打磨出的沟槽应该光滑﹑平整﹑有规则，对于在打磨过程中出现的高点﹑毛刺和角边应将其修复，打磨时应循序渐进，不能野蛮作业及违章操作。

②对于转轮叶片深度超过2mm的裂纹，为了方便进行裂纹补焊，必须先将转轮叶片所在的裂纹处用炭弧气刨开好坡口。

炭弧气刨在开坡口的过程中，会产生大量的热变形和机械变形，这样就会加速裂纹的扩大，对转轮叶片造成更大的危害，所以在使用炭弧气刨时必须采取间断使用。

在开坡口前，先用氧气-乙炔的火焰对裂纹两侧220mm宽度进行预热，温度控制在60～100℃，坡口的形状应为单边V形，坡口的夹角一般在35°～45°。

因使用炭弧气刨，所以会在吹割的地方有渗碳层的出现，这时可用砂轮机对其进行打磨，直至露出金属部位为止，对于在处理过程中出现的高点和毛刺可以直接用砂轮机将其打磨光滑。

对磨出的沟痕处用30%硝酸溶液进行清洗检查，用毛笔蘸硝酸溶液涂抹在坡口或者沟痕底部，硝酸溶液经过几秒钟的时间后便迅速渗入到裂纹所在处，再用棉布将硝酸溶液擦干净，如果转轮叶片还有裂纹存在的话，叶片上就会马上出现黑色的裂纹，这就要求继续对坡口深度进行加深，直至用酸洗法检查后确认没有裂纹为止。

由于转轮叶片的材料为ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，因此选择与母材的化学成分同质或者相近的焊条，通过对比采用Cr13型马氏体不锈钢焊条，这样可以使焊缝金属的成分与母体相近，以便保证焊缝的焊接质量和性能要求。

Cr13型马氏体不锈钢焊条的焊皮要保持干燥、完整、无脱落现象，焊前应将Cr13型马氏体不锈钢焊条存放在350～400℃的烘烤箱中进行高温烘干，烘干时间至少在1h以上，并做到随时取用，以便除去水分，防止潮湿，减少擴散氢含量和降低冷裂纹敏感性，保证焊接质量。

1号机组转轮叶片裂纹的处理，为机组的安全、稳定、经济运行提供了保障。

一方面，避免了机组在振动区及非最优工况下运行；另一方面，严格遵守焊接工艺是质量的保证。

只有严格按照国家的检修标准和工艺去执行，才能保证机组的安全、稳定、经济运行，为企业创造出更大效益。

小结
裂纹产生的原因是综合性的，除共振因素外，强度特性、材料的选择、工艺性能的好坏也会导致疲劳失效，从而产生裂纹。

故对该问题的分析中，应该从多种因素进行分析，以便能够明确转轮叶片产生裂纹的主因，并采取针对性的措施，达到防范裂纹的目的。

参考文献：
[1]刘佳文.水轮机转轮裂纹分析与处理[J].华电技术，2015，03：54-55+57+78.
[2]吴寿涛.浅析东江水电站3号转轮叶片裂纹处理[J].中国高新技术企业，2015，17：77-78.。