水轮机转轮叶片裂纹分析及处理

水轮机转轮叶片裂纹分析及处理

马庆增，阚伟民

(广东省电力试验研究所，广东广州510600)

摘要：水轮机转轮的叶片出现裂纹会严重威胁水电厂的安全经济运行。通过对水轮机转轮叶片进行有限元计算分析，得出应力过于集中通常是叶片裂纹产生的主要原因，此外，叶片也存在设计、制造、运行方面的问题，为此，介绍了水轮机转轮叶片裂纹金属无损探伤的常用处理方法和一般工艺。

关键词：水轮机；转轮叶片；应力；有限元；裂纹

水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失，因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。

1裂纹产生原因分析

1.1应力集中

采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边的分布见图1。从图1可以看出，转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内［1］。

1.2铸造缺陷及焊接缺陷

铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现裂纹(见图2)。

1.3原设计问题

转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角设计较小，引起应力集中。

1.4运行上的原因

长期低负荷、超负荷或在震动区运行会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。

2裂纹无损探伤检查

在大修时对转轮进行无损探伤检查，及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现，但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。裂纹易于产生的应力集中部位，如叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、

叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等部位，由于透照布置比较困难，不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机转轮叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点，一般应采用渗透、磁粉、超声波和金属磁记忆的方法进行无损检测。

2.1超声波检测

超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高，适宜检验较大厚度的工件，但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材，由于粗大晶粒的晶界会反射声波，在屏幕上出现大量的“草状回波”，容易与缺陷波混淆，影响检测可靠性，限制了超声波探伤方法在铸钢制水轮机转子叶片上无损检测的应用。探测频率越高，杂波就越显著，为了减小晶界反射波的影响，我们采用了低频探头(2.5 MHz)对铸钢转子进行超声波探伤，发现反射信号以后再用高频探头(5 MHz)进行定量，实践证明这是可行的。铸钢件超声波探伤衰减很大，探伤时只有满足以下条件才能检测，则底波与林状回波至少应有30分贝差。

2.2渗透探伤

渗透探伤方法简单易行，显示直观，适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检查。但是，渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中，再利用吸附能力强的白色显像剂，将渗透液吸出来以显示缺陷的，因此，只能检查表面开口的缺陷。

2.3磁粉探伤

磁粉探伤方法是利用工件磁化后，在材料中的不连续部位(包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性)，磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面形成漏磁场，这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积，从而显示缺陷。因此，磁粉探伤适用于铁磁材料探伤，可以检出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。

综上所述，为了保证水电机组的安全运行，考虑到各种探伤的优点和局

限性，水轮机转子应进行如下检验：

a) 对叶片清理后进行宏观检查；

b) 对可以磁化的部位进行磁粉探伤，不能磁化的部位进行渗透探伤，近来金属磁记忆和涡流探伤技术日渐成熟，也可以用来进行表面探伤；

c) 对叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等应力集中部位和表面发现缺陷的部位进行超声波探伤。检验中发现的裂纹等危险性缺陷应进行处理。

3裂纹处理

3.1阻止裂纹延伸

通常裂纹的两端尾部内应力接近材料的极限强度，在外力或热应力的影响下还会继续延伸。因此，必须在裂纹两端打止裂孔，孔径应不小于6 mm，裂纹清理过程中如发现纹路有新的的发展趋势应停止清理，再追加止裂孔，一般孔深应比裂纹深度大4～6 mm。

3.2裂纹清理及开坡口

裂纹铲除常用两种方法：风铲和炭弧气刨。风铲铲除裂纹所形成的坡口较规则，易于保证焊接质量，但劳动强度大，速度慢，铲头可根据裂纹深度的不同而选用，坡口要求规则平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧气刨可对较深的裂纹进行多次吹割，这种方法操作简便，速度快，但坡口内往往有渗碳层，要用异型砂轮磨削。为了防止过热引起变形和裂纹扩展，炭弧气刨必须间断使用。

坡口的形式应遵守焊接工艺的一般要求，主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。

裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。

3.3补焊工艺

叶片补焊可采用两种方法，一是同种材料热焊，这种方法工艺较复杂，要进行焊前预热和焊后热处理，焊接条件较恶劣，但是由于补焊焊缝的填充材料和被补焊母材基本一致，因此，在使用过程中出现问题的可能性较小；另一种是

奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊工艺简单，生产周期短。冷补焊焊接过程中不发生相变，且焊缝的塑性较好。因此，该方案可不预热，简化了补焊工艺，避免了铸钢件受到大的热作用，从而减小了被焊件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单，但是补焊金属强度低于母材，且由于不预热冷焊，近缝区的冷却速度较大，不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织，给补焊接头的性能带来不利影响。

3.3.1冷焊工艺

裂纹确认清除干净、开坡口后，按下列顺序进行补焊：

a) 对补焊区域进行预热，预热温度为100～150 ℃，对挖补区域可采用局部加热，可用履带加热器进行加热，若无履带加热器，也可用乙炔焰在坡口处来回移动加热。

b) 用A307焊条进行补焊，每焊一层，用小风铲锤击一遍，以减少焊接残余应力，最后一层不锤击，若已裂穿，第一层也不要锤击。焊前焊条要经过200～300 ℃的温度烘焙1～2h。

c) 焊接采用小规范, 电流为100～110 A，电压为24～26 V，层间温度控制在150～200 ℃。

d) 焊后要用石棉盖好，缓冷处理。

e) 用砂轮机将焊接部位修平，再用无损探伤方法检查，确保无裂纹等缺陷存在。

f) 将补焊部位磨光，修磨时应注意，若补焊部位在转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角部位，应将R角修整到符合设计要求，达到原叶片表面型线和表面光洁度，以免引起应力集中，再次开裂。

3.3.2热焊工艺

热焊时采用与叶片材料相同或接近的焊条，焊补部位的性能比异种钢焊接要好，但是工艺比较复杂，施焊条件恶劣，工艺如下：

a) 叶片预热温度150～200 ℃，以减少补焊区的应力集中及改善焊缝的金相组织。