混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施
发表时间：2019-10-18T16:27:10.287Z 来源：《知识-力量》2019年11月46期作者：董哲[导读] 近些年，在我国快速发展的背景下，人们的生活水平不断提高，人们对水电厂各项设备安全性的重视度越来越高。

转轮是水电厂混流式水轮机的核心部件，其运行的安全性对水电厂的生产运营有着重要的影响。

在水电厂混流式水轮机的实际运行过程中，转轮经常会出现一些问题，例如裂纹、泥沙磨损以及气蚀等，这些都给水电厂的生产造成了很大的隐患。

本文主要先对水电厂混流式水轮机转轮常见的
破坏问题及产生原因进行分析，进而探讨相应的维修
（华北水利水电大学，河南省郑州市 450045）
摘要：近些年，在我国快速发展的背景下，人们的生活水平不断提高，人们对水电厂各项设备安全性的重视度越来越高。

转轮是水电厂混流式水轮机的核心部件，其运行的安全性对水电厂的生产运营有着重要的影响。

在水电厂混流式水轮机的实际运行过程中，转轮经常会出现一些问题，例如裂纹、泥沙磨损以及气蚀等，这些都给水电厂的生产造成了很大的隐患。

本文主要先对水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因进行分析，进而探讨相应的维修措施。

关键词：混流式水轮机；裂纹原因；维修措施
引言
随着我国经济的不断发展，资源消耗的速度也在不断的加快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。

转轮是抽水蓄能电站混流式水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，混流式水轮机转轮作为混流式水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年混流式水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。

转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对混流式水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。

采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

1混流式水轮机之转轮概述
转轮是各种类型水轮机正常运行不可缺少的核心部件，其主要功能就是将水能转换为机械能。

而且转轮也在一定程度上直接决定着水轮机的过流能力强弱、水力效率高低、运转工况的稳定与否以及汽蚀性能是否良好的关键因素。

在实际操作中，转轮的各个部分设计和制造必须要充分满足水力设计的型线要求，必须要具有高强度且具备较强的抗汽蚀的能力以及耐磨损的性能。

根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同，可以将水轮机分为反击式和冲击式水轮机两大类。

将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。

根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又可分为轴流式水轮机、混流式水轮机、斜流式水轮机以及贯流式水轮机。

其中混流式水轮机由于水头型号和流量大小的不同，其配备的转轮形状也存在区别。

一般而言，水头越高的话转轮的叶片高度就要适当减小且长度要相应增加，水流的流动在转轮中越加趋于幅向流动。

随着水头高度的降低，转轮的叶片长度要相应变短且高度要逐渐增加，如此水流流动的方向就越来越趋于轴流方向。

然而，不论是什么形状的转轮一般都是由转轮上冠、转轮下环、转轮叶片、上下止漏装置以及泄水锥和减压装置组成。

2水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因分析
2.1裂纹
裂纹是水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏现象。

调查发现，混流式水轮机在运行一定的时间之后，其转轮都或多或少地会出现一些程度不一的裂纹，其中最容易出现裂纹的地方是转轮叶片与轮毂之间的过渡区，其次还有焊接缝和母材交接的部位、焊接根部受力最为集中的部位等。

裂纹的产生不仅会给混流式水轮机的运行带来巨大的隐患，而且还会给水电厂造成严重的损失。

裂纹破坏的出现主要有以下几方面的原因。

2.2铸造焊接不足
在转轮的实际运行过程中，当对设备施加一定的外部力量时，砂眼、铸造气孔等的存在会使得转轮产生裂纹。

另外，转轮叶片在受冷产生缩孔时会出现松动的情况，这种情况与转轮的上冠及下环的厚度有着重要的关联。

在铸造混流式水轮机的转轮时，如果焊接人员没有严格按照焊接工艺的要求进行焊接，或是没有正确应用焊接工艺，都会使得混流式水轮机转轮在焊接缝间或是受热影响区产生裂纹。

3水电厂混流式水轮机转轮裂纹的维修措施
3.1裂纹控制措施
3.1.1制定有效的修复焊接工艺，并对焊接工艺进行评定。

在叶片焊接修复过程中严格按照工艺技术要求进行；
3.1.2裂纹修复过程中，严格把控确保裂纹彻底清除，裂纹清除后进行PT或MT检测确认；裂纹清除时碳刨表面必须用
风动砂轮机或椭圆型磨头将气刨表面打磨出金属光泽，以消除表面渗碳层；
3.1.3为了减少焊接后的变形和残余应力，尽量选择低应力的焊材，焊条直径尽量选择小直径焊条；待修复区域及附近应进行焊前预热，预热温度100℃以上；焊接时采用多层多道焊，焊接层间温度控制在100~150℃之间，尽量控制焊接变形量到最小，同时应采用不锈钢风铲锤击的方法消除焊接应力；焊接完成后立刻用石棉布保温补焊区，缓慢冷却，避免冷却速度过快，产生冷裂纹；
3.1.4尽量减少氢的来源和消除气体的来源。

选用低氢或碱性焊条，将待焊区域坡口及其附近油污、水等有害杂质清除干净；焊条进行烘干、去水、干燥处理，以便彻底除去水分；考虑在转轮基坑内的湿度较低时施焊；尽量选用低强匹配的焊材，这样可降低焊接接头的拘束应力，降低冷裂纹的形成几率。

3.2焊接修复
3.2.1焊前预热
在焊接前，应对需要焊接区域的相关范围（一般为150mm）内的母材进预热，不可使预热区域骤然升温，应以均匀的方式，直至其温度达到110℃。

当温度达到标准温度时，则焊前预热完成，接下来便可开始进行焊接修复工作。

但要注意的是，在焊接过程中应使得母材的温度保持在标准温度的水平；在焊接修复完成后，还须做好保温措施（2h以上）。

3.2.2焊接材料
在选择焊接材料时，应结合转轮的材料合理进行选择。

选好材料后，在使用前还应对其进行烘干，并将其置于110℃的保温箱中，以便随时取用。

3.2.3焊接方式
旋转直流点焊机是一种常用的焊接方式，这种方式不仅可以减少焊接过程中的飞溅情况，而且还能保证电弧更加稳定。

在操作时，直接将电焊条与电源的正极相连，而将转轮与负极相连，然后控制好焊层的厚度，一般为3mm以内，以便减少热裂纹的产生。

3.2.4焊接过程
在进行焊接时，焊接人员可根据实际情况选择退步焊以及多道焊等方式，严格按照焊接工艺的规范操作进行焊接，从而为焊接提供质量保障。

在操作时，焊接人员可采取短弧方式，从而避免出现弧坑。

此外，对于穿透性裂纹，不仅要在其正面焊接焊缝，还要在背面进行焊接。

应注意的是，焊接人员应在焊接过程中做好焊层焊渣的处理工作，以免影响焊接的质量。

3.2.5焊接完成
在焊接完成后，应用石棉布铺在焊接区域，从而使其缓慢冷却到室温状态。

冷却过后，还须对焊缝表面进行打磨，以避免母材过渡区或是焊缝处出现咬边的情况。

最后，还需对焊接部位进行PT检测，从而确保裂纹已维修好。

结语综上所述，混流式水轮机的广泛应用伴随的是转轮叶片穿线裂纹的现象屡见不鲜，进而导致整体机组的运行出现障碍，甚至在很大程度上影响着水电站运行的经济效益。

与此同时，水轮机的正常运转对于机组的整体安全十分重要，而转轮作为机组安全运转的核心部件之一，其损坏必然会对机组整体顺利运行带来阻碍作用。

因此，在广泛采用混流式水轮机进行能量转换的时候，必须要对转轮裂纹的问题予以高度关注并及时采取有效的应对措施进行修复，此举既是对水电站安全运营的保障，同时也是出于对经济效益的考虑。

参考文献
[1]刘佳文.混流式水轮机转轮裂纹分析与处理[J].华电技术，2015，37（3）：54–55，57，78.
[2]李胜首.浅谈混流式水轮机转轮裂纹的原因及预防措施[J].低碳世界，2017（36）：83–84. 作者简介：董哲，男，吉林省德惠市人，职称：学生，单位：华北水利水电大学，专业：能源与动力工程（水动），研究方向：水轮机转轮。