沙河抽水蓄能电站转轮裂纹浅析与修复

沙河抽水蓄能电站转轮裂纹浅析与修复

发表时间：2018-06-27T09:46:58.310Z 来源：《电力设备》2018年第6期作者：王以军[导读] 摘要：沙河抽水蓄能电站装机2×50MW，两台机组分别于2002年6、7月份投入商业运行。

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司江苏溧阳 213333）摘要：沙河抽水蓄能电站装机2×50MW，两台机组分别于2002年6、7月份投入商业运行。2009年检修中首次发现机组转轮出现裂纹。我们对转轮裂纹产生的原因进行了仔细的研究与分析，其中主要原因为制造缺陷，经修复后得到有效解决。

关键词：转轮；裂纹；原因；修复

一、电站简介

沙河抽水蓄能电站位于国家5A级旅游度假区美丽的天目湖畔，距南京市120km。沙河抽水蓄能电站是江苏省第一座水电站，装有2台50MW的抽水蓄能机组，总装机容量100MW。机组额定转速均为300r/min，年设计发电量1.82亿kWh，承担江苏电网调峰填谷、调节潮流、事故备用等任务，并作为江苏电网黑启动的电源点。

电站主机设备由法国ALSTOM提供，为立轴、单级、混流、可逆式水泵水轮机组。水泵水轮机转轮是发电时将水能转变为机械能、抽水时又将机械能转变为水能的部件。转轮为铸焊结构，由上冠、下环和7个叶片组成。水泵水轮机与发电电动机通过法兰连接。转动方向俯视：顺时针方向旋转为水轮机工况，逆时针旋转为水泵工况。转轮上冠、下环采用铸造结构，叶片与下环通过角焊缝连接，叶片与上冠通过对接焊缝连接。

二、转轮裂纹的发现

2009年机组B级检修中对转轮情况进行全面检查，首次发现1号机转轮叶片出水边正压侧存在局部空蚀现象，经过进一步检查，又发现转轮叶片与下环角焊缝处存在细小裂纹。以下图表以1号转轮1号叶片为例说明裂纹情况。图1为转轮叶片角焊缝渗透探伤发现的裂纹痕迹显示，图2为裂纹示意图，表1为叶片角焊缝上各条裂纹位置及长度。

图1 1号转轮1号叶片角焊缝裂纹形貌

图2 1号转轮1号叶片角焊缝渗透探伤缺陷示意图表1 1号转轮1号叶片角焊缝上各条裂纹位置及长度单位：mm

三、转轮裂纹的跟踪与浅析

发现转轮裂纹后，电站高度重视，立即委托江苏省电力试验研究院有限公司对转轮裂纹进行检查、探测，并确定转轮裂纹彻底修复前每6个月检测一次。前后3年内共计对转轮裂纹进行了6次检测，以跟踪裂纹发展情况，并分析其产生的原因。跟踪检测结果说明原有裂纹在缓慢延伸，新裂纹也有出现，但是所有裂纹未出现破坏性的演变。期间，电站还邀请中国水科院、广州抽水蓄能电厂、哈尔滨电机厂、天津阿尔斯通等技术专家一同会诊。转轮产生裂纹的主要原因如下： 1、未熔透焊接弱化焊缝强度

通过相控阵超声波探伤，发现3号叶片角焊缝的①号缺陷最严重，为一长约30mm，高16mm的空腔。而2009年4月的渗透探伤中，3号叶片①号缺陷位置的裂纹开口也最严重，这其中是存在联系的。因为3号叶片焊缝内部的空腔属于未全熔透的焊接结构，该空腔上的焊缝金属较薄，运行时在持续的脉动载荷下焊缝金属表面首先开裂。对于叶片与下环的角焊缝，以及叶片与上冠的对接焊缝，设计图纸上均要求全焊透结构，这种制造时未熔透的焊接结构明显弱化了焊缝金属的强度，导致了裂纹的产生及加速扩展。其它叶片也存在类似现象，这种角焊缝内部的空腔结构是导致该位置焊缝表面产生裂纹的主要原因。

图3 角焊缝内未焊透

2、焊接工艺控制不严格

转轮及叶片的设计材质为ASTM A743GrCA-6NM，属于马氏体不锈钢，马氏体钢在焊接时对温度很敏感，温控要求也很严格，焊接过程中层间温度过低会出现裂纹，过高则会使焊缝金属晶粒变粗而硬脆，即减弱了焊缝金属的塑性。同时，热处理前后如果没有经过无损探伤，也很难保证转轮焊缝的质量。

3、长期运行疲劳损坏

水轮机在实际运行过程中，水头、流量、负荷总是不断变化的，在水中工作的运行工况复杂、运行条件恶劣，转轮叶片不仅要承受离心力、重力、水压力、附加应力、残余应力，而且还要承受高速水流的冲击、水流夹砂的无控冲击和各种水力激振因素诱发振动时产生的交变应力。转轮经过十年的长期运行，加之转轮本身的制造缺陷，导致裂纹不断发展。

四、转轮裂纹未修复前的运行控制措施

机组长期在不利工况下运行，可能导致转轮裂纹加速扩大而形成贯穿性裂纹，严重时能使转轮叶片突然断裂，造成重大事故。在机组A级检修前，为缓解转轮裂纹缺陷的恶化趋势，保障机组的安全经济稳定运行，对机组运行方式进行以下调整： 1、维持机组在合适的运行水头

机组在低水头运行时，机组振动、摆度等参数相对较高，特别是抽水工况低水头运行对机组的损伤更大。因此，要根据下水库的水位（不受我站控制）变化，适当控制上水库正常低限运行水位，维持机组运行水头在设计范围内。在机组检修单机运行期间，上水库正常低限运行水位调整为125米左右（正常低限运行水位120米）。慎用上库116～120米间的事故备用库容，无调令不得使用。

2、减少机组工况转换次数

机组在开、停机等工况转换过程中，由于机组的转速、负荷等变幅大，且远离机组最优工况，机组振动、摆度等参数较稳定运行时明显增高，对机组冲击较大。机组工况转换次数和时间的增加将一定程度上减少机组运行寿命。故采取各种措施减少机组工况转换次数。

3、合理调整机组负荷

机组在低水头运行时，上、下机架、顶盖、尾水管等振动值明显增大，机组运行条件劣化，将对机组机械部件的运行安全产生不利影响。在发电工况下，运行人员主要通过适当降低机组出力的方式来减小机组振动、摆度。通过以上方式运行调整，切实改善两台机组的运行条件，缓解转轮裂纹缺陷恶化趋势，有利于延长机组运行寿命。

五、转轮裂纹修复工艺

转轮裂纹的存在与技术规范的相关要求不符，其潜在的隐患若不及时处理，将会影响转轮的使用寿命，也会危及机组的安全运行，应尽快制定相关工艺措施，对缺陷进行处理。2012年电站结合机组扩大性A级检修，与天津阿尔斯通等单位共同研究，制定出转轮裂纹修复方案，主要工序如下：

1、转轮裂纹检测

1号机转轮吊出后，转轮裂纹监修单位江苏方天电力技术有限公司进行PT、UT、ED等全面检测。检测结果：1号~7号叶片与下环R 角处存在未熔合裂纹，经UT 探测，裂纹长度在发电工况出水边往上过流区域600~750mm 长，其中3号叶片R 角处裂纹最严重；叶片R 角上涂层处表面有不同方向的浅表性龟背纹；1号、3号、5号、7号叶片出水边有汽蚀，深度约1~2mm，长度约5~10mm，宽度约4~5mm。转轮裂纹维修单位天津阿尔斯通现场维修人员首先选择1号、4号叶片先采用角砂轮试打磨，打磨深度超5mm后仍有裂纹，后改用碳弧气刨，裂纹及渗碳层清除后，用高温着色剂检查，对于残留的裂纹、渗碳层再次进行清除，铲磨深度15~35mm范围。为进一步探明转轮裂纹深度，估算转轮裂纹修复工作量，掌控维修进程，天津阿尔斯通专业探伤人员及焊接工艺工程师到现场对1号转轮3号、2号、6号、7号叶片进行UT检测，发现裂纹深度几乎都在15~35mm范围内，1号、3号、4号叶片R角裂纹长度700mm左右，2号、5号、6号、7号叶片R角裂纹长度500~600mm。

2、转轮裂纹修复工艺

转轮裂纹气刨前先对叶片与下环R 角处裂纹区域预热至100℃，然后再用碳弧气刨和砂轮磨光机铲除R 角裂纹至根部，高温PT 检查，如没有发现裂纹，清除渗碳层后再高温PT 检查，直至R角上裂纹全部清除，再采用二氧化碳、氩气混合气体保护焊。为了减少焊接过程中产生的应力，采取分段、分区补焊，且每焊接一层随时锤击消应（首层和末层除外），补焊至剩余3mm后，改用抗空蚀焊丝CAVITEC。补焊完毕，PT检测无焊接缺陷，则进行后热，即在100~150℃情况下保温4 小时，后热完毕粗磨堆焊层，个别地方TIG 补焊，精磨堆焊层，之后抛光，最后通过UT 探伤及ET 硬度检测。图4~6反应了1号转轮3号叶片的处理过程：