水輪機轉輪裂紋的焊接修復

劉 敏

大唐衡陽發電股份有限公司，湖南衡陽 421001

0 引言

水輪機屬于流體機械中的透平機械一類，它的主要工作是將水流的能量轉換成為旋轉機械能的動力機械。早在2000多年前，中國古人就發明了水輪，用于灌溉以及加工糧食，這就是水輪機的最早模型。現代水輪機則安裝在水電站內，用來帶動發電機進行發電。

而對于水輪機而言，其核心部件就是轉輪。通過轉輪的工作，可以把水流的能量轉化為人類需要的機械能，完成能量之間的轉換；可以說轉輪的質量好壞決定著水輪機工作性能的優劣。轉輪的葉型、尺寸精度、表面粗糙度和材料質量直接影響機組的效率和使用壽命。目前，國際上都是以轉輪的質量來衡量一個國家水輪機制造工藝的優良。

1 水輪機轉輪裂紋的產生原因

水輪機運轉時間長了，其轉輪會不可避免地產生一些小的裂紋，這樣將會給水輪機組的安全運行帶來極大的隱患，一旦發生安全事故，對水電廠來說將是不可挽回的重大損失。水輪機的轉輪輪轂與葉片間過渡區是容易發生裂紋的區域，從力學結構上來分析，它是整個轉輪最薄弱的環節。經過多年的理論分析和實踐證明，此區域造成裂紋的原因主要有以下幾種情況：

1.1 受力過于集中

在離心力和水壓力的共同作用下，在轉輪葉片周邊作為轉輪工作時的主要應力區。相當應力沿葉片周邊的分布可以通過第三強度理論可以計算得出，通過分析計算我們找到了轉輪葉片的四個主要應力區，其位置分別為：

1）葉片進水的正面并靠近上冠部分；

2）葉片出水邊正面的中部；

3）葉片出水邊背面靠近上冠處；

4）葉片與下環連接區內。

由于受力的不均勻，將會造成轉輪葉片的上述部位過載受力，極易產生裂紋。

1.2 鑄造與焊接過程中造成的缺陷

在外部力量的影響下，機械設備在生產過程中所形成的鑄造氣孔、砂眼等都有可能會形成裂紋。轉輪葉片在受冷卻過程中可能產生縮孔并造成松動，這是由于其上冠和下環的厚度相關非常大。在轉輪的生產鑄造時，如果焊接工藝不正確，或者沒按施工工藝要求進行操作，就會在焊接縫和受熱影響區產生裂紋。

1.3 工作運行中的原因

由于轉輪的運行工作長期處于低負荷活著超負荷的狀態下，這同樣會使得葉片在交變應力的作用下產生裂紋，并且加劇。

2 水輪機轉輪裂紋的種類

水輪機轉輪的裂紋一般都是在出水邊側葉片與下環之間的焊接接頭處形成的，主要原因包括：

1）形成于母材和焊縫的交界處，焊縫縱向平行方向一般是裂紋產生的方向，先產生于表面，逐步向母材深處延伸；

2）焊縫根部的最大應力集中處是裂縫的起源處。在焊接熱影響區和焊縫金屬內，都有可能形成裂紋。具體情況是由母材和焊縫的強度、塑性以及根部的形狀這些因素來決定的；

3）在出水邊圓R處產生的裂紋，這種裂紋的取向一般與熔合線平行，但有時也會與之垂直。在淬硬傾向大的區內容易形成此類裂紋。

3 水輪機轉輪裂紋的焊接修復

以湖南某水電廠水輪機轉輪裂紋的修復為例，轉輪母材材質為低碳馬氏體不銹鋼ZG0Cr13Ni5Mo，修復裂紋選擇的是三相組織G367M焊條，它包含鐵素體、奧氏體和馬氏體，可以有效預防冷裂紋的產生。轉輪母材和焊縫金屬的化學成分如表1所示。

表1 轉輪母材與焊縫金屬的化學成分

3.1 轉輪裂紋焊接前的準備

首先要依據PT探傷的結果標記出需修復的區域，明顯標記出裂紋的端頭位置，從而依據裂紋尺寸及部位決定裂紋處理原則。

其次，在清除裂紋前為阻止裂紋的擴展，要先在裂紋的尖端打止裂孔以截斷裂紋，止裂孔的孔深應比裂紋深度深。在裂紋清除過程中，一般采用碳弧氣刨方法加砂輪機打磨的方法進行清除。為了防止過熱造成裂紋擴展及葉片變形，碳弧氣刨必須間斷使用，必要時可加鉆止裂孔阻止裂紋的擴展。當缺陷清除后，一定要將碳弧氣刨造成的滲碳層徹底用砂輪機打磨干凈，直到露出金屬光澤，還應進行PT檢測，確認轉輪裂紋徹底清除。

第三，為了有利于施焊，缺陷修補處要制出焊接坡口，坡口角度在40°～50°之間，坡口深度要保證能清除干凈裂紋，且要徹底打磨干凈滲碳層。

最后，在進行補焊前，一定要用丙酮將待焊區域及其附近50mm范圍內的水、銹、油等有害雜質清除干凈。

3.2 裂紋的焊接修復

3.2.1 焊前預熱

焊接時須對焊接區域及相鄰150mm范圍內的母材預熱至100℃～120℃之間；必須要讓預熱區域均勻升溫，可用紅外線測溫儀在加熱過程中進行監控。完成預熱后，才能進行焊接修復，并且要在焊接修復的過程中保持這溫度，施焊區域焊接修復完成后要進行保溫，一般在2小時以上。

3.2.2 焊接材料

焊接材料采用焊芯直徑為3.2mm和4.0mm的G367M焊條，焊條在使用前需對焊條進行烘干，且不能反復多次烘烤，烘干后保存在溫度為100℃～120℃的保溫筒中，使用時隨用隨取。

3.2.3 焊接方法

在焊接過程中為減少飛濺，保證電弧穩定，應使用旋轉直流電焊機，電源采用直接反轉法，即轉輪接負極，電焊條接正極。焊接時速度應盡量快，焊層要盡可能地薄，且每一層不能超過3mm，以減少焊縫時產生的熱裂紋，這樣做可以有效地提高焊接質量。焊接時的工藝規范如表2所示。

表2 焊接工藝規范

3.2.4 焊接過程

具體操作過程中，可采用多層多道焊、退步焊，使得焊接變形量能被控制到最小；為消除焊接應力可采用層層錘擊的方法，錘頭應采用不銹鋼材料，避免滲碳，并且要將錘頭磨成半徑為1.5mm～2.0mm的圓，錘擊點要快、輕、密集均勻。

要嚴格按照焊接的工藝規范進行操作，保證焊接的質量。在焊接操作中為了防止弧坑的產生，要保持短弧操作，不要跳弧和橫向擺動，并且盡量減少焊縫內部缺陷；對于穿透性裂紋，應在其正面焊2～3道焊縫后再在其背面施焊；焊接時要注意將焊層間的焊渣清理干凈；焊蓋面焊道時，不能產生咬邊及焊縫表面缺陷。

3.2.5 焊接完成

在焊接完成后，為了使焊接區域緩慢冷卻，須采用石棉布覆蓋在補焊區域的表面，使其緩慢冷卻至室溫。在焊縫冷卻后，將焊縫表面打磨光滑，使焊縫與母材過渡區無咬邊和溝槽；對處理部位再次采用PT探傷檢測，確認無缺陷為止。

4 結論

水輪機是否能安全穩定地運行，關系到整個水輪發電機組的安全穩定運行。近年來，由于水輪機轉輪裂紋的影響而對水電廠的安全運行造成的影響時有發生，對水電行業來說敲響了警鐘。我們應該要規范制度、加強日常檢查，定期對應力集中等易于產生裂紋的部位進行無損探傷檢查，發現問題要及時處理，從而確保水輪發電機組安全穩定的運行。

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