太平灣電站水輪機汽蝕、裂紋產生的原因分析及處理

孫偉巖

(太平灣發電廠 遼寧 丹東 118000)

太平灣電站水輪機汽蝕、裂紋產生的原因分析及處理

孫偉巖

(太平灣發電廠 遼寧 丹東 118000)

為了保障我廠(太平灣發電廠)電力的發展和設備的安全運行，提高焊接施工質量，結合太平灣電站歷年來對水輪機變組檢修當中發現的汽蝕與裂紋的缺陷程度，重點對太平灣電站水輪機汽蝕和裂紋產生的原因進行了綜合分析，并詳細闡述了汽蝕與裂紋焊補前的處理、設備材料準備、焊接工藝、氣刨處理工藝過程、探傷和質量檢驗等處理辦法及個人的觀點建議。

水輪機;氣蝕;裂紋;分析;焊補工藝; 質量檢修

概述

太平灣發電站總裝有4臺機組，總裝機容量為190MW (4X47.5 MW)，水輪機型號為軸流轉漿式，電站為低水頭河床式電站。首臺機組已于1985年12月15日投產運行發電,后三臺機分別于1986年11月18日，12月28日和1987年10月28日陸續投產運行。1989 年2月份對四號機變組進行首次A級檢修，檢查發現葉片汽蝕輕微，汽蝕平均深度2mm, 汽蝕最大深度8mm。隨后每四年分別對各臺機組進行A級檢修，在檢修時，同時檢查發現轉輪葉片背面以及背面與下環結合處均有不同程度的汽蝕、裂紋產生；尾水管里襯汽蝕嚴重。為保證我廠機組優質高效的安全正常運行，我們必須要嚴肅重視汽蝕、裂紋的產生，及汽蝕與裂紋的防治與焊補等措施。

一、水輪機汽蝕、裂紋產生的原因分析

(一)汽蝕的產生成因分析

一般自然水中含有一定量的空氣。水流在水輪機中運動，存在某些高速低壓區，當該區域水流壓力降低到當時水溫下的汽化壓力Po時，則產生大量氣泡。這些氣泡被帶到相對的低壓高速區時開始被壓縮、凝聚以致迅速破裂。氣泡破裂形成高速射流，當氣泡半徑縮小到原半徑的1/50時，該射流速度接近水中音速。因而產生局部的巨大沖擊力(即所謂的水錘壓力，可達數百甚至上千個大氣壓)。然后被強烈碰撞的水質點又急劇的向相反方向擴散，從而造成該處氣泡壓力又急劇降低(亦稱負水錘壓力)。形成周期性壓力脈動。這種微觀射流沖擊伴隨著水流質點對發生汽蝕部位的金屬表面不斷的壓入和吸出，使該部位金屬表面發生微觀塑變和材料疲勞。造成金屬結晶顆粒脫落。當汽蝕反復作用在同一部位時，就會造成金屬表面變暗、粗糙，出現蜂窩以致穿孔或斷裂等現象。這是造成水輪機汽蝕破壞的主要原因。

(二)轉輪葉片裂紋產生原因技術分析

太平灣電站水輪機轉輪的裂紋多產生于葉片進水邊頭部、背面及葉片與上冠連結處等區域，且在轉輪運行多年以后才產生，應是疲勞所致裂紋。檢測區氣孔、縮孔多，大多來自于鑄造方面的原因。有些裂紋產生于氣孔、縮孔處并向兩側延伸發展。

金屬材料的疲勞破壞有一個材料在交變載荷作用下的逐漸累積損傷，產生裂紋及裂紋逐漸擴展，直至最后的破壞過程。據統計，約有50-90%的機械結構破壞是由疲勞損傷引起的。疲勞破壞主要可分為兩個階段，即裂紋形成階段(達到可檢裂紋長度0.25-1mm)和裂紋擴展階段。金屬材料受載超過屈服極限后，將產生塑性變形，試驗證明了重復的塑性應變是形成疲勞裂紋的基本原因。在工作載荷的作用下，應力集中部位進入塑性狀態，從而產生疲勞裂紋。太平灣電站機組轉輪大致如此。

二、水輪機汽蝕、裂紋的處理

(一)水輪機汽蝕處理

(1)汽蝕處理技術要求

1)補焊中嚴格按照施焊工藝，防止應力集中。采用對稱、輪流，分塊焊的工藝。尾水管里襯補焊面積較大也應采用對稱，分塊焊的方法。每塊面積不可過大，避免連續施焊；

2)為消除焊接應力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均應進行錘擊。每焊完一道焊波(暗紅色)馬上錘擊，以松弛焊接收縮應力；

3)對較大汽蝕補焊面積，每一層的焊波接頭及層與層之間焊波接頭應錯開；

4)施焊中，應采用小電流短弧焊施焊工藝，防止因熱影響區擴大；

5)焊條使用前應按規定烘干

6)汽蝕補焊最后一層應高出原型表面1mm—2mm為宜，以作為磨削余量

(2)汽蝕處理質量要求

1)轉輪葉片型線檢查。按汽蝕破壞最輕的葉片制作型線樣板，用該樣板檢查汽蝕處理后的葉片型線。葉片表面與樣板間的間隙應控制在2mm—3mm之間；

2)打磨的光滑度應盡量提高，應達到12.5。因為表面處理光滑度越高，越不容易產生汽蝕；

3)經打磨處理后的表面不允許有凹凸不平及深度超過0.50mm，長度大于50mm的溝槽。局部的凹凸細小的溝槽多是汽蝕破壞和加劇的誘因；

4)汽蝕處理區域的邊沿與原母材過渡應光滑過渡，保持原型線；

5)原尾水管壁內焊疤必須全部磨平。

(二)水輪機裂紋的處理

(1)刨前在裂紋的兩端(向外延伸10～20mm )鉆止裂孔.直徑為φ6—φ8 mm。在實際的鉆止裂孔過程中，由于現場的工作位置以及葉片材質硬度大于鉆頭的硬度，用鉆頭打止裂孔進度緩慢，難度很大。我們采取了用鉆頭在打孔位置先打出一個定位點，然后使用高速氣砂輪機帶動的合金磨頭，在定位點磨出一個止裂孔，此方法速度快，效果好，使葉片裂紋的處理時間得到大大的提高。

(2)裂紋清理用碳弧氣刨，刨前在裂紋附近預熱50-100℃。可用氧-乙炔焰加熱，預熱范圍為裂紋周圍200mm。裂紋應清理干凈，表面酸洗(用30%硫酸或5%硝酸)，進行宏觀檢查，至肉眼不見裂紋為止(可用放大鏡)，也可用著色探傷法檢查。

(3)用碳弧氣刨刨開坡口，為防止過熱，應間斷進行，刨后用砂輪機打出金屬光澤。

(4)坡口型式應為K型雙面裂紋和單邊V型(單面裂紋處)。

(5)焊前預熱： 用氧—乙炔焰在裂紋背面沿裂紋方向移動加熱。溫升至150℃后停止加熱(可用點溫計測)，保溫4小時。注意坡口周圍應有足夠的預熱范圍。

(6)補焊工藝：

1)焊接材料(見下表)，用前應烘干。堿性低氫型焊條烘干溫度一般采用300～430℃。酸性焊條烘干溫度一般采用100～150℃。纖維素型焊條70～100℃。均需保溫1～2h。烘干后的焊條應避免急冷以避免藥皮開裂。

用途可選用的焊條牌號堆焊金屬的主要化學成分汽蝕區磨損深處的打底焊J422、J507抗汽蝕層堆焊堆276、堆277A102、A1322Cr-BMn12、4Cr9Mo3VC-2．5%、Cr-27%Cr-18Ni9耐蝕又耐磨層堆焊特制焊條0Cr13NI6MoV

2)錘擊消除應力，焊一層錘擊一遍，可往復錘2～3次，錘擊出麻點即可。

3)錘擊溫度：最好在溫度高時錘擊。

也可在冷卻到200℃以下再錘擊。但不可在200～500℃溫度下錘擊。

4)對于穿透性補焊區，底層不能錘擊。焊縫的表面層均不能錘擊。

5)若坡口深度大于20mm，應采用鑲邊焊，

6)對穿透性裂紋，先在正面焊2～3道焊波后，在背面用風鏟(或碳弧氣刨)清除坡口底部熔渣等，然后，在背面施焊，最后，正反輪番施焊。(見照片1，2)

7)多層焊時，每層焊縫的起弧和收尾要交錯。根部幾層用小直徑焊條(Ф2.5～3.2mm)，盡量用小電流，短弧焊要保證焊透。

照片1

照片2

8)每道焊縫要層搭接上一焊道的1/3寬度以上。焊至表面時應注意防止咬邊。

9)最后一道焊縫應為退火焊道，注意焊縫應高出周圍表面，以保證打磨后無凹坑。

10)焊補后進行適當的保溫之后，用砂輪將焊縫按葉面打磨光滑，將退火焊道磨掉，表面光潔度達▽3以上。

(7)探傷

1)先進行外觀檢查，焊縫和熱影響區不應有裂紋和咬邊。

2)用超聲波探傷，焊縫內不得有裂縫夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，若有缺陷，須挖開后重新補焊。

三、結束語(幾點建議)

(1)使用新工具。目前我們使用的國產風動砂輪機重量較重，個別狹窄部位(如上冠流道，葉片根部)一般砂輪機磨不到(現有的太小無法使用)，這些部位處理起來十分困難，工作效率低，檢修質量難以保證。現有進口軟軸砂輪機轉速高，重量輕，可使用多種磨頭，應考慮使用。

(2)在汽蝕處理表面涂刷環氧樹脂、復合尼龍抗磨涂層，使用合金粉末噴焊等新技術已逐漸成熟，很多電廠使用已取得了較理想的效果，我們應積極探索學習，在我廠推廣使用，爭取一次處理長期收益，以減少汽蝕、裂紋處理的費用。

(3)加強檢修技術人員的培訓。特別是電焊工崗位技能的培訓，保證焊補質量。

(4)成立專門的汽蝕與裂紋的處理質量管理小組。保證我廠機組優質高效的安全生產運行。

[1]太平灣發電廠生產技術部主編《太電機械設備檢修工藝規程》

[2]太平灣發電廠生產技術部主編《太平灣電站設備手冊》

[3]《水輪機檢修》 袁蕊 田子勤主編.中國電力出版社