摘要：水轮机转轮叶片裂纹的出现会严重影响电站的安全生产工作。滩坑水电站在2018年跟2019年机组检修过程中发现了水轮机转轮叶片裂纹的情况，并做了相应的处理，消除了安全隐患。
关键词：滩坑水电站；转轮裂纹
Abstract：The occurrence of cracks in turbine runner blades will seriously affect the safe production of power plants.Tankeng Hydropower Station Cracks in turbine runner blades were found during unit overhaul in 2018 and 2019，and corresponding treatments were made to eliminate potential safety hazards.
Keyword：Tankeng Hydropower Station；Runner Crack
引言
滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪中游河段，距大溪、小溪汇合口约26km，距青田县城西门32km，距温州市公路里程92km，距离丽水市公路里程107km。本电站接近电网负荷中心，对外交通便利，经济指标较好，综合效益明显，是瓯江流域水电梯级开发规划中的一座重要骨干电站。滩坑电站总装机容量为604MW，在浙江电网内发挥重要作用，既有发电、调峰、调相功能，又有防洪抗灾能力。
滩坑电站安装有3台200MW的水轮发电机组。2018年2号机组A修期间对转轮叶片进行了渗透探伤工作，在渗透探伤时发现转轮有5片叶片出水边靠近上冠焊接根部位置有裂纹，其中贯穿裂纹3条（3#、4#、13#），未贯穿裂纹2条（11#、12#）。裂纹情况详见下图：
1 原因分析
根据裂纹原始形态及清理后的状态分析，认为：11#，12#裂纹为浅表性缺陷，处于焊缝打磨区域，裂纹产生原因：转轮在铲磨过程中，PT 检查焊缝存在表面点状缺陷（如缺肉、气孔、夹渣等），补焊过程中，焊前未充分预热或焊后未充分后热，造成焊缝冷却速度快，因此补焊处表面存在淬硬组织—淬火马氏体（正常组织为回火马氏体+逆变奥氏体+δ铁素体）[1]，造成补焊点形成局部小区域的高硬度点。这些高硬度点在外部载荷作用一定时间后，转变为裂纹源，并因多年运行时间累积逐渐扩展成裂纹，3#、4#、14#裂纹就是表面裂纹，在外部载荷作用一定时间后，转变为裂纹源，扩展为贯穿裂纹。
转轮出现裂纹的情况时常发生，在水力、材料、制造和整体结构均能满足机组的安全平稳运行，各项指标均达到合同要求的情况下，仍会因为偶发的水文情况（如水质、泥沙含量变化等）、材料均匀性（铸件疏松、缩孔、杂质等）、制造缺陷（漏检、当量未超标的焊接缺陷等）、机组运行（振动偏大、长时间的低负荷特殊工况下运行等）等因素而开裂。
产生水力振动主要有以下因素[2]：水力不平衡、为谁管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。
这种偶发的裂纹有以下特征：
1、裂纹数量比较少，转轮只有个别叶片有裂纹现象或数个检修周期才发现裂纹；
2、裂纹随机分布，时而在上冠的出水边焊缝圆角区附近，时而在或下环的出水边焊缝圆角区附近，甚至在出水边母材上、流道中等部位，没有规律性；
3、从裂纹的外部形态来看，这类裂纹大多数都开口粗糙、有交错和撕裂现象，树枝状扩展
针对偶发性裂纹，采用复原性修复，通过合理的修复方案和严格的过程控制，减少裂纹处理过程中次生缺陷产生的几率，能够对转轮再次开裂起到良好的预防效果。
2 缺陷处理方案
1、焊接基本要求
1）所有焊工（包括焊接、搭焊和补焊），应按照 ASME 标准（或等同）进行焊工培训、资格考试，持证上岗。
2）焊接区域附近 50mm 范围内需清理打磨以去除氧化皮、锈、油污等有害焊接质量的杂质。
3）碳弧气刨和焊接时，应对焊缝及相邻区域 500mm 区域进行保护，防止飞溅以及碰伤等。
4）焊条需按焊条使用说明书上的要求进行烘烤及保温。
5）焊接预热温度 80℃，层间温度≤180℃。
6）每焊接完一层必须清除飞溅物和焊渣，除打底层和盖面层外，
每焊完一层必须对焊肉进行充分锤击以消除焊接应力。
7）焊缝表面高于母材原表面 2-5mm。
8）焊接完毕后，用隔热材料覆盖缓慢冷却。
9）表面打磨，砂轮磨削方向应与叶片线形方向一致；表面粗糙度：
10）焊接材料：AWS E309L 焊条。
3 裂纹处理工艺
3.1 检查
按 ASME 标准对裂纹端部进行 UT+PT 探伤，确认裂纹位置及深度，并做标记。
3.2 裂纹清理
采用火焰或电加热对裂纹清除区域进行预热，预热温度≥80℃；
采用碳弧气刨从标记的起裂位置+20mm 处，沿进水边向出水边方向清理裂纹。未裂穿的全部将裂纹清除；已裂穿的先从正面清理 2/3板厚深，待正面焊接后，再清理背面。
裂纹清除后采用砂轮将清理部位打磨见金属光泽。
已裂穿的部位清理示意图
3.3 焊接
焊接方法：手工电弧焊。
焊接材料：AWS E309L 焊条。
焊接操作要求：焊前将焊接区域及其周围 50mm 范围内的油污、水分等杂质完全清除。
采用火焰或电加热对焊接区域进行预热，预热温度≥80℃。
对于未裂穿的部位，采用多层、多道焊接，直接将裂纹清除部位焊满。对于已裂穿的部位，按下面示意图的顺序进行焊接[5]。
3.4 打磨
按叶片型线采用砂轮修磨焊接部位，表面光洁度不低于原叶片要求。
3.5 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[3]。按 ASME 标准对返修焊缝部位进行 UT+PT 探伤[4]。
项目在施工中，严格按施工工艺方案进行施工，每道工序进行自检，上道工序检查合格后才能进行下道工序，工序过程要做好质检记录。
4 改进措施
针对滩坑水电站转轮焊接缺陷修复过程中出现的问题，导致缺陷修复部位硬度偏高，存在转轮焊缝表面产生裂纹隐患的问题，今后在转轮制造和修复过程中将从以下几个方面加以改进：
1.固化缺陷补焊流程，补焊时严格遵守工艺要求；
2.加强修复记录，包括缺陷位置、使用的工艺文件、预热和后热时间等。
3.焊前预热温度的测量按照工艺文件要求进行，并进行记录，焊后后热的记录要包括加热温度、保温时间。
4.对补焊位置进行 UT+PT 探伤并记录。
5 结语
根据每台机组多年运行积累的压力脉动、振动、摆度数据，分析机组稳定与不稳定运行特性，据此划分机组可长期运行区、允许短时运行区、避振运行区等运行范围，制定安全运行区域图，尽可能在接近水轮机最优工况下运行。采用目视检查、MT/PT 检查、UT 检查等手段定期（建议一年一次）检查转轮过流面表面状况。对于电站的运行工况，密切关注运行工况时在最大和最小扬程附近运行时机组各项稳定性能指标值，尽量保证转轮在稳定工况下运行。
参考文献：
[1]徐祖耀.马氏体相变与马氏体[M].北京：科学出版社，1980.
[2]尹述鸿.大朝山1号水轮机转轮裂纹原因分析及处理[J]。水利水电技术，2002（12）
[3]刘晓亭，李维藩.水力机组现场测试手册[M].北京：水利电力出版社，1993.
[4]《超声波探伤》编写组.超声波探伤[M].北京.机 械工业出版社，2004
[5]田锡唐.焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1982.
作者简介：
陈宣有（1990）男，助理工程师，从事水轮发电机机械检修
注：陈宣有，13967088931，0578-6616201，496960309@qq.com，浙江省青田县巨浦乡范村浙江浙能北海水力发电有限公司，323907。
毛凌（）男，助理工程师，从事水轮发电机机械检修
注：毛凌，13732550061，0578-6616201，496960309@qq.com，浙江省青田县巨浦乡范村浙江浙能北海水力发电有限公司，323907。
论文作者:陈宣有,毛凌
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/14
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