水泵水輪機轉輪裂紋成因分析及處理

龐希斌，彭碩群，祝加勇，蔣君操，楊 恒，吳 敏，宋太平，湯 巍，何忠華

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 引言

隨著我國經濟的不斷發展，資源消耗的速度也在不斷的加快，水電站的發展越來越普及，成為了社會主義建設中不可或缺的重要組成。轉輪是抽水蓄能電站水輪機中的核心部件，在實際的運行過程中，由于機組發電和抽水工況頻繁正轉和反轉，運行工況復雜，水輪機轉輪作為水輪機重要受力結構部件，該區域在機組運行中容易發生裂紋，近些年水輪機轉輪出現多起裂紋問題，使機組被迫停役。轉輪裂紋的出現，不僅為機組的安全穩定運行帶來了極大的威脅，為抽蓄電站的正常經營帶來了經濟損失和社會損失，所以要想確保水電站安全穩定運行，必須通過無損檢測技術對水輪機轉輪定期探傷，及時發現并有效處理轉輪裂紋問題。采取有效的預防控制措施，確保機組運行安全性和穩定性。

本文介紹了黑麋峰抽水蓄能電站3號、4號機轉輪在檢修中發現的裂紋，其特征以及修復工藝控制，綜合分析裂紋成因，根本清除裂紋隱患，結合廠家建議，提出電廠在機組運行方式以及維護檢修方面預防轉輪裂紋事故的參考建議。

2 轉輪裂紋成因分析

轉輪裂紋通常是在多個因素（比如交變外載荷、機組運行時的振動、結構存在薄弱環節、工程制造過程中的缺陷等）的綜合作用下產生，以下對黑麋峰電站轉輪裂紋成因從水力設計、結構強度計算及材料選擇、制造工藝及控制流程等方面進行分析說明。

2.1 黑麋峰電站機組轉輪參數

黑麋峰電站水泵水輪機（HLNTP-LJ-504）轉輪為單級、立軸、混流可逆式轉輪，葉片整體鑄造、數控加工。轉輪上冠、葉片和下環組合焊接。3號機和4號機的水泵水輪機上冠、葉片、下環材質均為鑄造馬氏體不銹鋼制造，材料類型為ZG0 Cr13Ni4Mo（對應美標ASTM A743 CA6 NM），為保證制造（包括焊接、打磨）操作空間，轉輪下環分內環、外環，轉輪兩次裝焊、焊后整體退火。

機組額定水頭295 m，額定轉速300 r/min，額定出力和額定入力分別為300 MW、320 MW。引水系統采用1洞2機的布置方式，尾水系統采用1洞1機的布置方式，3號機、4號機共用2號引水管道。2010年9月、10月，3號機、4號機相繼投產發電，轉輪投產運行8年，期間檢修均對轉輪葉片進行檢查，未發現裂紋情況。2018年3月機組C修期間，發現3號機和4號機均發生轉輪葉片裂紋缺陷，其中包含貫穿性裂紋。

2.2 3號機、4號機轉輪裂紋情況統計

3號機組轉輪 PT 探傷檢查發現，1、2、3、4、5、8號轉輪葉片共存在15條裂紋，裂紋總長度1950 mm。其中3處為貫穿性裂紋，其中1號葉片進水邊，出現最長裂紋，長350 mm，由正面延伸至背面，屬于貫穿性裂紋；其他裂紋擴展方向各異，裂紋外部形態呈“蚯蚓狀”，形態沒有規律性，裂紋集中出現在葉片進出水邊與上冠下環的連接焊縫和焊接熱影響區，并且屬于探傷檢測的盲區。

2018年3月9日至11日，4號機組C修期間對轉輪 PT 探傷發現，1、3、4、5、6、8、9 號葉片共存在 6條非淺表性裂紋，總長度845 mm，其中1處為貫穿性裂紋。其中5號葉片出現最長裂紋，長230 mm，為V型裂紋。

關于3號機、4號機裂紋情況如表1、表2所示，安裝狀態下轉輪裂紋俯視示意圖如圖1，裂紋主要集中在葉片與上冠焊縫進出水邊處。其中3號機4號葉片裂紋探傷情況、刨開后情況和4號機5號葉片裂紋情況如圖2、圖3、圖4所示。

表1 3號機組葉片裂紋情況統計表

圖1 3號機組裂紋分布俯視示意圖

2.3 機組運行情況

3、4號機組從2010年投產截至2017年，每年發電小時數、抽水小時數逐年累加，從2014年開始黑麋峰公司機組在穩定電網負荷需求中承擔重要作用，并且運行情況穩定。3號機、4號機總運行時間分別為10726 h、9998 h，總啟停次數分別為2302次、1974次，3號機運行時間、啟停次數均高于4號機。3號機、4號機歷年運行時間和機組啟停次數統計如圖5、圖6。

表2 4號機組葉片裂紋情況統計表

圖2 3號機4號葉片裂紋探傷情況

圖3 3號機4號葉片裂紋刨開后情況

圖4 4號機5號葉片貫穿性裂紋探傷情況

圖5 3號機、4號機運行時間統計圖

圖6 3號機、4號機啟停次數統計表

2.4 轉輪水力分析

黑麋峰電站屬于300 m水頭段中大容量抽水蓄能電站。東電為黑麋峰電站機組的主承包方，法國ALSTOM公司為技術支持方。黑麋峰電站的水泵水輪機水力模型由ALSTOM公司研發。機組運行過程中壓力脈動特性和空化空蝕特性嚴重影響機組穩定性能，ALSTOM公司根據試驗結果判斷黑麋峰機組不會發生真機空蝕，各種壓力脈動情況中，轉輪與導葉間空載工況壓力脈動數值較高，但符合國內300～600 m水頭段抽水蓄能電站水泵水輪機的部分主要性能指標。

但黑麋峰電站水泵水輪機水力模型在整個水輪機運行范圍內均出現S特性，為避免S特性對機組并網的風險，ALSTOM公司在真機實際運行中，增設6片非同步導葉，消除運行范圍內的S特性，完全解決空載并網的問題。針對黑麋峰機組在水輪機工況全水頭段開機過程中需要投入非同步導葉的現狀，不排除機組過渡工況水力因素誘發轉輪裂紋的可能性。

2.5 轉輪材料結構分析

東電負責黑麋峰電站3號機、4號機轉輪制造，轉輪材料，具有優良的抗銹蝕、抗泥沙磨損、抗空蝕性能，具有較為平衡的機械性能，以及優良的焊接性能。轉輪疲勞特性直接影響機組長期穩定運行，為此，東電綜合考慮機組水輪機運行、啟停機和飛逸工況，針對轉輪葉片靠近上冠，以及轉輪靠近下環的位置進行各種工況的損傷計算，最終得到轉輪的設計總壽命為139年，從結構疲勞設計的角度，轉輪的計算壽命能夠滿足50年運行要求。

2.6 葉片裂紋特性

由于轉輪裂紋集中出現在葉片與上冠和下環進出水邊的焊縫區和焊接熱應力影響區，現場對轉輪硬度進行測試，發現焊縫裂紋處硬度值高于焊縫或母材的標準值或處于其上限值，轉輪母材在經正火和兩次回火后，其正常組織為回火馬氏體+逆變奧氏體+鐵素體，組織表面硬度正常值為HB221-HB286，轉輪焊縫經焊后去應力退火后，其硬度應在HB300以下，硬度值可以反映材料的組織形態。從表中數據可以看出，轉輪裂紋位置的硬度值為HB276-HB312，母材正常硬度值為HB220-HB。東電認為黑麋峰機組轉輪在鏟磨過程中，PT檢查焊縫存在表面點狀缺陷（缺肉、氣孔和夾渣等），按工藝規范采用馬氏體補焊，但補焊過程中未嚴格按照焊接補焊工藝進行，焊前未充分預熱或焊后未充分后熱，造成焊縫冷卻速度快，因此補焊處存在脆硬組織-淬火馬氏體，造成補焊位置硬度比周圍焊縫硬度值高，形成局部小區域的高硬度點。這些高硬度點在外部載荷的交變作用一定時間后，轉變為裂紋源，多年時間累積后逐漸擴展成裂紋源，對照3號機和4號機實際運行小時數和機組啟停次數數據統計，3號機組比4號機組服役時間長，同時裂紋數量和總長度均高于4號機，與實際情況相符。

2.7 裂紋成因結論

綜合水力、材料和結構強度設計和裂紋特性方面的多種因素，黑麋峰電站轉輪裂紋缺陷原因有以下結論：發現黑麋峰電站轉輪本體材料選擇和結構強度設計并不是轉輪裂紋產生的直接原因，根本原因為轉輪補焊工藝不規范導致焊縫位置存在局部脆硬組織，受到水泵水輪機低水頭段開機過程中非同步導葉投入產生的水力影響，機組開機過渡過程復雜，綜合導致裂紋擴展，形成葉片多個部位缺陷型裂紋。

3 轉輪裂紋修復

轉輪修復工藝控制主要包括：缺陷確認、缺陷清理、焊接清理、加熱、焊接、焊材選擇、焊接余量及打磨探傷。具體內容如下：

3.1 缺陷確認、清理及控溫

對轉輪葉片抽水進水邊500 mm長度范圍內的焊縫及熱影響區，按照ASME標準進行MT探傷；對發現裂紋的位置，按ASME標準進行UT探傷，確認缺陷深度。

焊前，將待焊區域及附近50 mm的油污、水分等雜質和異物清理干凈；焊接過程中，在焊接覆蓋前一道熔敷金屬以前，應清除所有焊渣，同時焊縫及附近的母材應采用磨、刷或用其他合適的方法清理干凈。

預熱：施焊前，用火焰加熱方式預熱待焊區域及鄰近區域，加熱應均勻，使待焊區域及其鄰近75 mm范圍內≥100℃。溫度測量宜采用遠紅外測溫儀進行檢測，測量采用非接觸方式，遠紅外測溫儀測點距離測量坡口或部位約50 mm。保溫溫度：從預熱焊接開始直至焊接結束，焊縫溫度不得低于80℃。緩冷處理：焊接修復轉輪缺陷后，采用保溫毯覆蓋緩冷。

3.2 裂紋氣刨及焊接

3.2.1 貫穿性裂紋

針對貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對待處理的裂紋部位進行預熱，預熱溫度≥60℃；根據實際空間位置，焊工確認裂紋清理面，按圖清理裂紋，并預制焊接坡口，應在距離裂紋尖端10 mm位置標記并設止裂孔，然后從裂紋尖端起進行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤。

焊接正面坡口，要求多層多道焊；背面清根，使用碳弧氣刨清根，打磨見金屬光澤；清根表面的探傷，對清根表面進行PT探傷，確認裂紋清理干凈；焊接背面坡口，要求多層多道焊，焊接過程中，除打底層外，必須用錘擊方法進行焊接殘余應力的釋放。3.2.2 非貫穿性裂紋

針對非貫穿性裂紋，使用火焰加熱方式對待處理的裂紋部位進行加熱，預熱溫度≥60℃；采用旋轉銼打磨清除裂紋（優先使用旋轉銼，深度大于10 mm時可采用碳弧氣刨清除）。當采用碳弧氣刨清除缺陷，應在距離裂紋尖端10 mm位置標記并設止裂孔，然后從裂紋尖端起進行碳弧氣刨，氣刨后打磨去除滲碳層，直至打磨出金屬光澤；然后按照ASME標準進行MT或PT探傷，確認缺陷清理干凈。焊接規范按照東電提供焊接規范手冊執行。焊接采用手工電弧焊或熔化極氣體保護焊焊接。

要求深度超過5 mm，進行多層多道焊，除打底層外，必須用錘擊方法進行焊接殘余應力的釋放。

焊接時，焊縫表面應高于母材表面3 mm，作為打磨余量。焊接材料的型號及規格見表3、表4。

表3 焊接材料（手工電弧焊）

表4 焊接材料（熔化極氣體保護焊）

3.3 焊后打磨和探傷

粗磨焊縫表面，特別注意過渡區域的打磨和防止打磨縮頸；對缺陷深度大于10 mm的部位，按ASME標準進行UT檢查；對葉片厚度、焊角R尺寸等進行檢測，確定精磨余量；焊縫UT探傷合格后精磨和拋光焊縫表面；對焊縫及相關打磨區域進行按ASME標準PT檢查。

4 結論

本文根據黑麋峰電站轉輪成因分析及修復過程，提出以下建議：對于新建電站要加大力度復核和不斷嚴謹轉輪焊接制造工藝要求，嚴格控制補焊工藝要求，記錄修復過程參數，尤其是控制焊前焊后溫度時間，并對補焊位置進行硬度測試；對于已投產電站，記錄機組振擺數據，根據實際各種工況的穩定性和不穩定性特征，劃分機組可以長期運行區、允許短時運行區、避振運行區等運行范圍，盡可能在水輪機最優工況下運行，盡量避免低水頭下的低負荷運行，密切關注水泵工況最大和最小揚程附近機組各項穩定性能指標值。在檢修工作中，安排定期進行MT/PT檢查、UT檢查（建議1年1次），檢查轉輪過流面表面狀況。