(安康水力发电厂 陕西安康 725000)
摘要：着重探讨了2#水轮机过流部件裂纹产生的原因，介绍了转轮叶片、凑合节、引水盖板的损坏情况及处理方法
关键词：过流部件 转轮叶片 引水板 损坏 原因分析 处理
摘要：安康电厂装有4台200MW机组。 水轮机型号为HL220—LJ--550, 额定工作水头76.2m。最低水头57.00 m，设计流量304 ,安装高程329.50 m，吸出高度-4.5 m。2#机组已于1992年9月投产发电。
1994年2月-1993年3机组第一次大修，检查发现叶片汽蚀轻微； 1997年12月机组第二次大修，检查发现转轮3#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和13#叶片背面均有不同程度的汽蚀产生。转轮叶片背面与下环结合处除13#、14#叶片外均有较严重的汽蚀产生。2015年12月-2016年1月机组第四次大修检查发现转轮叶片背面根部均有汽蚀。14个叶片出水边下环流道均产生汽蚀，9#最为严重。转轮汽蚀总面积达3.72 ，尾水管凑合节从凑合节以下270 mm宽一周汽蚀严重，深度在7mm-15mm左右，汽蚀总面积达9.22 ，原补焊层已全部脱落2015年12月2#机组大修在6#叶片与上冠联结处焊缝处出现长达700mm的裂纹（见图-1）。转轮引水板支撑立筒封盖焊缝出现9条裂纹，严重影响着机组的安全运行，裂纹分布（见图-2）。
图-2 2015年2F引水盖板裂纹分布示意图
1.水轮机过流部件汽蚀、裂纹产生的原因分析
1.1汽蚀的成因
一般自然水中含有一定量的空气，大大降低了水的体积强度。水流在水轮机中运动，存在某些高速低压区，当该区域水流压力降低到当时水温下的汽化压力Po时，则产生大量气泡。这些气泡被带到相对的低压高速区时开始被压缩、凝聚以致迅速破裂。气泡破裂形成高速射流，当气泡半径缩小到原半径的1/50时，该射流速度接近水中音速。因而产生局部的巨大冲击力（即所谓的水锤压力，可达数百甚至上千个大气压）。然后被强烈碰撞的水质点又急剧的向相反方向扩散，从而造成该处气泡压力又急剧降低（亦称负水锤压力）。形成周期性压力脉动。这种微观射流冲击伴随着水流质点对发生汽蚀部位的金属表面不断的压入和吸出，使该部位金属表面发生微观塑变和材料疲劳。造成金属结晶颗粒脱落。当汽蚀反复作用在同一部位时，就会造成金属表面变暗、粗糙，出现蜂窝以致穿孔或断裂等现象。这是造成水轮机汽蚀破坏的主要原因。同时，汽蚀过程中气泡被压缩、高速冲击、金属表面的微观塑变产生局部高温氧化、电解作用也加速了汽蚀破坏的进程。
1.2转轮叶片裂纹产生原因分析
安康电厂水轮机转轮的裂纹多产生于叶片进水边头部、背面及叶片与上冠
连结处等区域。检测区气孔、缩孔多，大多来自于铸造方面的原因。
金属材料的疲劳破坏有一个材料在交变载荷作用下的逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直至最后的破坏过程。大多数机械和其它工程结构在使用过程中都承受交变载荷的作用。据统计，约有50-90%的机械结构破坏是由疲劳损伤引起的。疲劳破坏主要可分为两个阶段，即裂纹形成阶段（达到可检裂纹长度0.25-1mm）和裂纹扩展阶段。金属材料受载超过屈服极限后，将产生塑性变形，此时，应力—应变不再成线性关系。安康电厂2#机组转轮大致如此。尤其是长期的低负荷、空负荷运行，更使转轮工况恶化，振动剧烈，使叶片（尤其是叶片进水边）在交变应作用下产生裂纹并加剧其发展。
1.3引水板立筒盖板焊缝裂纹产生原因分析
（1）设计方面：
设计不合理。工地组装的H702分瓣转轮，因其联接外法兰而加设的引水盖板，面积大、板材薄，又为大悬空结构，刚性很差，且引水盖板与上冠法兰上平面间隙很小。
当机组在非最优工况运行时，尾水管出现空腔汽蚀，产生的压力脉动，通过10个泄流孔传到转轮上腔，引水盖板随之上下振动，又因引水盖板与上冠法兰间隙小，必然与上冠法兰上平面相撞，其反弹作用，而使引水盖板碰撞点的周围产生交变应力，导致引水盖板的立筒盖板焊缝疲劳开裂及开焊。
（2）制造安装方面：
1）引水盖板的板材加工工艺差。引水盖板薄厚不均，设计为22mm。
2）焊缝薄弱。引水盖板结构的直角搭接均是焊高为8mm的单边角焊，外圈的焊缝为单坡V型周焊，坡口深10mm。
3）安装时，引水盖板上乱开孔，且加配重位置不合适。
A）多处开孔后的补焊，均为封闭焊缝，容易出裂纹；
B）单侧焊接，另一侧无法完全熔透，为天然缺陷；
C）配重增加了引水盖板的局部惯性。
2.水轮机汽蚀、裂纹的处理
2.1水轮机汽蚀处理
（1）汽蚀处理技术要求
1）补焊中严格按照施焊工艺，防止应力集中。转轮的汽蚀补焊，也应用对称,轮流，分块焊的工艺。尾水管里衬补焊面积较大也应采用对称，分块焊的方法。
2）为消除焊接应力，除第一道焊波和退火层外，其余焊波均应进行锤击。
3）对较大汽蚀补焊面积，每一层的焊波接头及层与层之间焊波接头应错开。
4）第二道焊波最少应盖住第一道焊波的1/3。
5）在汽蚀补焊过程中，应采用小电流短弧焊施焊工艺。
6）在汽蚀补焊过程中，运焊条的速度应均匀，电弧应稳定；
7）焊条使用前应按规定烘干；
8）汽蚀补焊最后一层应高出原型表面1mm—2mm为宜，以作为磨削余量。
（2）汽蚀处理质量要求
1）转轮叶片型线检查。按汽蚀破坏最轻的叶片制作型线样板，叶片表面与样板间的间隙应控制在2mm—3mm之间；
2）打磨的粗糙度应尽量提高，应达到12.5。
3）经打磨处理后的表面不允许有凹凸不平及深度超过0.50mm，长度大于50mm的沟槽。
4）汽蚀处理区域的边沿与原母材过渡应光滑过度，保持原型线；
5）原尾水管壁内焊疤必须全部磨平。
2.2水轮机叶片裂纹的处理
（1）在裂纹（图-3）的两端刨前在裂纹两端（向外延伸10-20mm ）钻止裂孔，直径为φ6-φ8 mm。我们采取了用钻头在打孔位置先打出一个定位点，然后使用高速气砂轮机带动的合金磨头，在定位点磨出一个止裂孔，此方法速度快，效果好，使叶片裂纹的处理时间得到大大的提高。
图-3 裂纹两端钻止裂孔
（2）裂纹清理用碳弧气刨，刨前在裂纹附近预热50-100℃。可用氧-乙炔焰加热，预热范围为裂纹周围200mm。裂纹应清理干净，表面酸洗（用30%硫酸或5%硝酸），至肉眼不见裂纹为止（可用放大镜），也可用着色探伤法检查。
（3）用碳弧气刨刨开坡口，为防止过热，应间断进行，刨后用砂轮机打出金属光泽。
（4）坡口型式为K型双面裂纹和单边V型（单面裂纹处）。
（5）焊前预热：
用氧—乙炔焰在裂纹背面沿裂纹方向移动加热。温升至150℃后停止加热（可用点温计测），保温4小时。注意坡口周围应有足够的预热范围。
（6）补焊工艺：
1）焊条用A237，用前应烘干。
2）锤击消除应力（可用风铲），焊一层锤击一遍。
3）锤击温度：最好在温度高时锤击。
4）对于穿透性补焊区，底层不能锤击。焊缝的表面层均不能锤击。
5）若坡口深度大于20mm，应采用镶边焊，
6）对穿透性裂纹，先在正面焊2-3道焊波后，在背面用风铲清除坡口底部熔渣等，然后，在背面施焊，最后正反轮番施焊。
7）多层焊时，每层焊缝的起弧和收尾要交错。根部几层用小直径焊条（Ф2.5-3.2），尽量用小电流，短弧焊要保证焊透。
图-4 裂纹经多层补焊效果
8）每道焊缝要层搭接上一焊道的1/3宽度以上。焊至表面时应注意防止咬边。
9）焊满后在表面焊一道退火焊道，注意焊缝应高出周围表面，以保证打磨后无凹坑。
10）焊补后进行适当的保温之后，用砂轮将焊缝按叶面打磨光滑，将退火焊道磨掉，表面光洁度达▽3以上。
（7）探伤
1）先进行外观检查，焊缝和热影响区不应有裂纹和咬边。
2）用超声波探伤，焊缝内不得有裂缝夹渣、气孔、未焊透等缺陷，若有缺陷，须挖开后重新补焊。
三，几点建议
（1）使用新工具。目前我们使用的国产风动砂轮机重量较重，个别狭窄部位（如上冠流道，叶片根部）一般砂轮机磨不到（现有的太小无法使用），这些部位处理起来十分困难，工作效率低，检修质量难以保证。现有进口软轴砂轮机转速高，重量轻，可使用多种磨头，应考虑使用。
（2）在汽蚀处理表面涂刷环氧树脂、复合尼龙抗磨涂层，使用合金粉末喷焊等新技术已逐渐成熟，很多电厂使用已取得了较理想的效果，我们应积极探索学习，在我厂推广使用，争取一次处理长期收益，以减少汽蚀处理的费用。
（3）加强检修人员培训。特别是电焊工技能培训，保证补焊质量。
（4）成立专门的汽蚀处理小组。现在我厂汽蚀处理工作分工过细，工作中责任不明，工作环节多，工作效率低，检修质量提高阻力大。在黄河喷涂有限公司我们看到，他们的汽蚀处理工作谁焊谁磨，自己对自己负责。工作环节少，效率高，检修质量有保证，值得我们借鉴。
论文作者:王军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
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