淺析水輪機轉輪葉片的補強處理

姜傳鵬 王志新

摘要：本文通過對于水輪機轉輪葉片進行有限元的計算分析，從而得出水輪機轉輪葉片裂紋產生的原因，并由此分析得出包括裂紋金屬無損探傷在內的水輪機轉輪葉片的補強處理方法。

關鍵詞：水輪機；轉輪葉片；補強處理

作為發電廠的支柱性機械，水輪機葉片一旦頻繁地產生裂紋就會對于整個發電的機組安全造成威脅，與此同時也不可避免的帶來財產上的損失。由此可見，嚴格分析水輪機轉輪葉片裂紋的產生原因、針對有問題的水輪機葉片進行損傷檢查后和補強處理，從而減少水輪機轉輪出現裂紋或其他情況影響發電廠正常工作。

1.輪機轉輪葉片問題分析

1.1 水輪機轉輪葉片受力集中

通過有限元計算的方式可以得出，水輪機的轉輪受到壓力和離心力兩方面的作用，這兩方面力主要作用的位置正是水輪機轉輪的葉片位置，相當一部分的應力是沿著葉片周邊進行分布的，葉片靠近上冠的位置往往受力最大容易出現裂紋情況。

1.2水輪機轉輪葉片鑄造和焊接缺陷

水輪機轉輪葉片鑄造的氣孔和焊接的短板都是可能成為裂紋源的主要對象，兩者本身就在構造上尤其脆弱性，加之外力的作用，上環下環的厚度不一致，導致在冷卻、加熱的過程中出現裂縫。

1.3水輪機轉輪葉片不合理運載

水輪機額轉輪葉片由于長期不合理的高速運轉，或是大量時間的超負荷、震動在負荷線上會讓水輪機轉輪葉片在外力的作用下產生裂紋以及導致原有裂紋情況更深。

1.4水輪機轉輪葉片設計問題

大多數水輪機葉片和設計的過程中上環與下環的過渡角度不夠合理，角度普遍較小導致了外力更加集中與水輪機葉片當中，導致了裂紋和其他不安全因素的產生。

2.水輪機轉輪葉片的補強處理

2.1防止水輪機轉輪葉片裂紋延伸處理

想要進行補強處理，首先需要控制水輪機轉輪葉片的裂紋延伸情況，一般而言裂紋的發生位置即為兩端受力最大的位置，一旦在熱力或者更大外力下會更加延伸，為了保值補強處理的質量必須先要在裂紋的兩邊進行打孔處理，孔的大俠控制在直徑五毫米左右，在鉆孔的過程中一旦發現有新的裂紋出現就應當停止打孔或者增大打孔的深度至七毫米。從而為補強處理做出首要的保證。

2.2水輪機轉輪葉片裂紋清理

在補強處理前還需要對于水輪機轉輪葉片裂紋裂紋進行清理，清理通常采用的方法有以下兩種：風鏟法和炭風氣刨法。風鏟的方式鏟除裂紋的方式比較傳統，產生的坡口更規則，也能保證其質量過關，但是需要的人力資源成本比較高的同時速度有限；炭風氣刨法相對于風鏟的方式優點更加明顯，更可以完成對于比較深刻的裂痕多次清理的任務，更多地是機械的力量，速度也更加快，但是也有其缺點，產生的破口往往滲透有碳層和其它雜質，需要采用非常規的砂輪才能進行磨削。在處理清理好裂紋后，應當使用著色探傷的技術來確認清楚地是否干凈，保證補強環節的完整性。

2.3水輪機轉輪葉片的補強處理

水輪機轉輪葉片的補強處理的熱處理部分主要包括兩個主要方式，其一是同種材料補強處理。這種方式顧名思義，就是采用與原有材料相似或者相同的材料進行補強，其工藝比較復雜，焊接技術要求比較高。第二種方式被稱為奧式冷焊法，冷焊對于焊接技術的要求比較低，需要的時間成本比較低，但是由于其并非同種材料的焊接只能進行補焊，對于水輪機轉輪葉片會造成變形等后果。改進主要遵循以下三個步驟：

①水輪機轉輪葉片需要達到的預熱溫度應當控制在200攝氏度以下，這樣的溫度可以減小對于受理部分鋼鐵結構組織的壓力。

②在補強處理材料的選擇方面應當盡量選擇與原有材料相同或者相似的材料進行焊接，電流控制在135A左右，不能高于140A，否則容易出現電流過大的情況；電壓同樣控制在25V即可，每層的溫度不能高于200攝氏度，每一層的定型過程中都需要風鏟的敲擊過程，減少新材料上的補強壓力過大，最后一層和已經裂縫的情況下都不需要再進行敲擊。

③熱力補強處理后，需要有一個回火的環節，即溫度下降到100左右時再次加熱到600保證其強度。

水輪機轉輪葉片的補強處理的冷焊處理部分首先需要保證裂紋的本身已經被清理好，破口已經開好的狀態，補強處理當中主要需要遵循以下步驟：

①預熱環節。首先對于需要補強的部分地區進行初步預熱，方便補強的實施，通常的預熱溫度控制在125攝氏度左右，對于補充的地區需要采用局部區域預熱的方式，通過履帶的方式進行加熱，而對于不能采用履帶加熱的部分，可以采用乙炔火焰的外焰進行移動來加熱的方式。

②補焊環節。在補強實際操作當中，需要把溫度控制在250攝氏度左右，時間不低于一個小時也不能高于兩個半小時。推薦采用A系列的焊條進行補焊，進行的同時配合敲擊，每多加一層就敲擊一次，目的在于減小外力突然作用于同一點上，但是也需要具體問題具體分析，一旦裂痕已經裂穿，就不要進行敲擊。

③電流控制環節。補強過程當中的電流控制也很重要，需要控制在國際標準110A以下，電壓控制在25V左右，其中每層的溫度也不應當高于200攝氏度。同時也貯備一定數量的石棉進行緩沖處理。

④修平環節。在緩沖補強處理好后，使用砂輪和砂紙將補強處理過的區域驚醒修平處理，同時使用著色探傷的方式進行二次核查，確保沒有裂紋的存在。

⑤磨光環節。在修平后需要對于補強的部分進行磨光，磨光的同時調整上環和下環的角度，角度的曲線流暢性和表面光潔度都需要達到要求，防止再次裂縫的情況發生。

3.小結

綜上所述，由于受力、鑄造和焊接多方面的因素導致水輪機轉輪葉片裂紋，要更有針對性的對于、水輪機葉片進行損傷檢查和補強處理，就需要熱處理和冷焊相結合，從而減少水輪機轉輪葉片問題，推進發電廠工作順利開展。

參考文獻：

[1]于海艷，楊開黎. 水輪機葉片模擬件的鍛造成形工藝研究[J]. 大電機技術，2012，03：60-62.

作者簡介：1.姜傳鵬，白山發電廠機械工程處，技師，從事金屬焊接專業。

2.王志新，白山發電廠機械工程處，工程師，從事機械管理工作。