600MW混流式水輪機活動導葉裂紋原因分析及處理

鄭建民，敬燕飛，鄧 韜，李金偉

（1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610041；2.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源625300；3.國電科學技術研究院有限公司成都分公司，四川 成都610073；4.中國水利水電科學研究院，北京100048）

1 概述

瀑布溝水電站裝有6臺600MW混流式水輪發(fā)電機組，額定出力611MW，額定轉速125r/min，額定流量435m3/s。每臺機組安裝24個活動導葉，沿圓周均布，導葉體高1525mm，寬1120mm，導葉具有三個支撐軸頸，導葉軸瓦采用聚甲醛鋼背復合材料，自潤滑，分別安置于底環(huán)和頂蓋上。

活動導葉是水輪機導水機構中的重要部件，起到控制進水流量和截斷水流的作用，從而影響水輪機的運行性能與發(fā)電效率。在機組運行中活動導葉承受很大的水作用力，這就要求活動導葉具有足夠的強度、剛度、抗沖磨、抗汽蝕等性能。大型水輪機活動導葉尺寸和重量大，通常采用整鑄成型后精加工方式制造，而活動導葉鑄造缺陷在長時間復雜水力作用下，容易成為裂紋源并產(chǎn)生貫穿性裂紋，導致活動導葉損壞，進而造成機組振動擺度增大、損毀轉輪、事故停機等事故，嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行。

2 活動導葉裂紋概況

2015年6 號機組停機檢修時發(fā)現(xiàn)19個活動導葉（2號、4號、6號、7號、9～19號、21～24號）共存在134處裂紋。對裂紋按照探傷預檢驗、裂紋區(qū)域確認、導葉端面間隙防護、打磨清理、清根確認、焊接預熱、多層多道焊、焊接應力消除、焊接區(qū)域保溫、焊接修磨、流線修型工藝等流程進行了現(xiàn)場處理，并且補焊區(qū)域處理后經(jīng)無損檢測合格。

2016年6 號機組停機檢修時對裂紋區(qū)域再次進行宏觀與無損檢測復查，發(fā)現(xiàn)前次修補活動導葉中仍有 9個（6號、10號、12號、14號、15號、18號、19號、23號、24號）共存在21條裂紋，最長達180mm，5條為新增，其余16條中的12條離上次修復裂紋位置較近，如圖1所示。值得注意的是，在2015年和2016年兩次停機檢查中1號、3號、5號、8號、20號活動導葉均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 6號機組活動導葉裂紋情況（2016年）

3 裂紋原因分析

查閱大量的文獻可知，近些年混流式水輪機轉輪裂紋屢見不鮮，國內(nèi)如三峽、天生橋一級、劉家峽、巖灘、李家峽、二灘、漫灣、五強溪等水電站[1-5]，國外如美國大古力、巴基斯坦塔貝拉、美國CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原蘇聯(lián)布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克、俄羅斯薩揚舒申斯克、緬甸太平江等水電站[5-6]均出現(xiàn)了轉輪裂紋，嚴重影響了電站的經(jīng)濟效益，對設備安全運行帶來重大隱患。此外，混流式水輪機固定導葉也有因卡門渦激振導致裂紋發(fā)生的實例[7]，相對而言，活動導葉出現(xiàn)裂紋則極少見于公開報道。

3.1 材質

6號機組活動導葉材質為ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼，采用電爐冶煉，砂型鑄造。該鋼是在Cr13馬氏體不銹鋼的基礎上，通過大幅度降低含碳量，同時將鎳的含量控制在4%～6%范圍內(nèi)，并加入少量的合金元素Mo而形成的。該鋼除具有一定的耐腐蝕性能外，還有良好的強度、韌性、可焊性以及耐磨性。

3.2 合金成分分析

使用XRF便攜式射線熒光光譜儀對出現(xiàn)裂紋的活動導葉合金成分進行抽查，結果如表1所示，可知活動導葉合金成分符合要求。

表1 活動導葉合金成分抽查結果

3.3 金相組織檢驗

圖2顯示了24號、6號活動導葉母材的金相組織，圖3顯示了裂紋處的顯微組織，可以看出：金相檢驗結果顯示組織為回火馬氏體+δ-鐵素體，出現(xiàn)裂紋的活動導葉中含有大量粗大并具一定位相的δ-鐵素體組織，其含量超過15%。活動導葉裂紋呈沿晶形式，在δ-鐵素體與回火馬氏體的相界面存在微裂紋。

圖2 24號、6號活動導葉母材金相組織

圖3 活動導葉裂紋顯微組織

3.4 原因分析

查詢活動導葉供貨資料并將爐號、導葉編號及化學成分對應，并按照舍夫勒組織圖計算每個活動導葉的鉻當量（Creq）、鎳當量（Nieq），如圖4 和表 2所示。

圖4 舍夫勒組織圖

表2 活動導葉成分及鉻、鎳當量

根據(jù)中科院金屬所在三峽轉輪材料研制過程中通過實驗數(shù)據(jù)和實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計圖，鎳鉻當量比（Nieq/Creq）低于0.42時，鋼種出現(xiàn)δ-鐵素體的幾率增大。

圖5 Nieq/Creq與δ相的統(tǒng)計圖

表3顯示了裂紋出現(xiàn)次數(shù)較多的活動導葉的鎳鉻當量比，可見均小于0.42。

表3 裂紋出現(xiàn)次數(shù)較多的活動導葉的鎳鉻當量比

因為提高了 Cr、Ni含量，ZG06Cr16Ni5Mo在Ac1溫度附近回火，部分馬氏體會較易重新轉變成奧氏體，這類奧氏體稱為逆變奧氏體。逆變奧氏體細小均勻地分布于馬氏體基體中，在幾乎不降低材料強度的情況下，提高材料的塑性、韌性，并且具有吸氫作用，避免鑄造或焊接時的氫致延遲裂紋。因此，在一定程度上，該鋼的性能由逆變奧氏體決定。但是Cr、Ni含量的提升，特別是Cr含量的提升，而Ni含量提升幅度不大，Nieq/Creq變小導致δ-鐵素體產(chǎn)生，并且隨著Nieq/Creq的減小，δ-鐵素體含量明顯增加，并且在后續(xù)熱加工過程中愈難被消除。

4 結論與建議

4.1 結論

活動導葉出現(xiàn)裂紋的直接原因是由于冶金因素造成的δ-鐵素體含量過大。由于δ-鐵素體與馬氏體相比為軟質相，2種組織硬度差距較大，在交變應力作用下，δ-鐵素體無法向馬氏體傳遞應力，特別是存在雜質相的晶界，往往成為活動導葉的裂紋源。

4.2 建議

對于服役中的活動導葉，必須嚴格控制修補工藝，并定期進行宏觀檢查和無損檢測，特別是對鎳鉻當量比低于0.42的活動導葉重點抽檢。

如有條件，建議更換所有活動導葉。對于鎳鉻當量比低的活動導葉，應重點記錄，以便后續(xù)跟蹤檢查，同時對新導葉開展全面的無損檢測，防止原生裂紋在運行中逐步發(fā)展。