水泵水輪機轉輪裂紋成因分析及處理

滿益民

【摘 要】眾所周知，水泵水輪機是一種抽水蓄能的設備，現在被大量應用在抽水蓄能電站內。而水輪機轉輪是水輪機的重要部位，在設備長時間運行之時會產生裂紋，長久積累其裂紋將會影響水泵水輪機的工作效率，轉輪出現裂紋的主要原因是輪轂與葉片間的過渡區域不能應付高應力。本文通過分析水泵水輪機轉輪出現裂紋的原因，并提出處理方案。

【關鍵詞】水泵水輪機;水輪機轉輪;裂紋;原因分析;裂紋處理

水泵水輪機是上世紀發明的用于抽水蓄能的機械設備，是抽水蓄能電站的主要動力設備。近年來，隨著我國對清潔能源的重視，大量建設抽水蓄能電站的數量，提高抽水蓄電站的生產頻率。但是水泵水輪機轉輪經常出現裂紋，嚴重影響設備的使用效果。為提高設備的使用壽命，應該詳細研究水泵水輪機轉輪的裂紋成因，研究裂紋的處理方式。

一、水泵水輪機概述

水泵水輪機的主要作用就是抽水蓄能，而且比將水輪機和水泵串聯的蓄能機組更加方便，成本造價更低，所以這種設備被大量應用。目前，常見的水泵水輪機按照水流途徑分為三種機型，分別是混流式水泵水輪機、斜流式水泵水輪機以及貫流式水泵水輪機。這三種設備的工作原理大致相同，當水泵水輪機的轉輪發生轉動時，該設備可以當作電泵使用，當轉輪反向旋轉式當作水輪機使用，所以水泵水輪機的轉輪對該設備而言十分重要。本文將采用HLPO140-LJ-485型號的水泵水輪機作為主要研究對象。其轉輪的設計獨特，此零件的上冠、下環以及葉片部位均采用不銹鋼材料鑄造。其不銹鋼材料具有極強的抗空蝕和抗磨損的特性，采用這種材料可以保證輪機長期在水下工作時不受空化和氣蝕的干擾。其葉片采用模壓方式制成，下環采用不銹鋼板卷制而成，上冠是整體鑄造，其水泵水輪機也具有極好的性能。在對正在使用的水泵水輪機進行裂紋調查時應采用PT檢驗方式。該方式是通過涂抹滲透劑在設備中，使其滲入表面損傷處，最后去除滲透劑，涂抹顯象劑將殘留滲透劑吸附在設備表面，判斷損傷位置。經過一番探查，在水泵水輪機轉輪部位發現數道裂紋，嚴重影響設備的運轉

一、水泵水輪機轉輪裂紋成因分析

通過PT檢驗技術在轉輪發現數道裂紋，比較嚴重是在葉片處，其長度200mm，其裂紋深度也超過2mm，這嚴重影響水泵水輪機的安全性，降低水泵水輪機的使用壽命，增加抽水蓄能電站的生產成本，為我國大量建設抽水蓄能電站造成極大的麻煩。經過分析主要原因有三點，第一，轉輪存在設計失誤。經過合理分析轉輪上出現的大量裂紋是由于設備轉輪組件是單獨制造，后來在根據組裝圖紙加工，將葉片、上冠和下環進行組合焊接，在焊接葉片時會在葉片中央留下大量鈍邊，這也是導致葉片造成極大損傷的原因。第二是轉輪應力有一定問題。其水輪機的轉輪葉片的應力主要分為靜載應力和動載應力兩個方面。在設備正常運行時，會受到多種力的影響，且在轉輪葉片的周圍存在著4個高應力區，如果設備轉輪的葉片部位無法長時間負荷應力，就會導致出現裂紋。其葉片部位四個高應力區主要在葉片零件的進水邊靠近上冠的區域以及葉片出水邊正面中下區域，正好可以對應PT檢驗報告中裂紋出現部位，所以其轉輪無法承擔高應力導致出現裂紋。第三，是由于焊接點受到水波動的影響。在水泵水輪機設備開始運轉之時，會導致周圍水波動劇烈，對轉輪的焊接部位有所傷害，進而出現裂紋。經過相關調查顯示，在設備開始啟動后，會由于水力難以平衡或卡門渦列等原因出現劇烈的電荷運動，導致水力振動，進而對轉輪的焊接處造成損傷。綜上所述，造成轉輪出現裂紋的原因有三點，分別是輪機的結構設計問題、應力問題以及水振動原因，嚴重影響水泵水輪機設備的使用壽命，應對裂紋及時解決，提高水泵水輪機的使用壽命。

二、水泵水輪機轉輪裂紋處理

（一）裂紋修復的工藝流程

在對原有裂紋進行處理時，應該按照一定的工藝流程進行修復。首先應將需要維修的水泵水輪機轉輪全部拆卸并將其放置在防護室內，通過上文所述的PT檢驗技術對輪機進行檢驗，讓所有裂紋全部顯示，然后將轉輪中出現的明顯損傷以及相關缺陷部位進行文字記錄并且應該拍照存檔，然后預熱焊補區域，焊接消除裂紋。隨后對輪機進行高溫PT檢查，如果發現仍然存在裂紋應該采用補焊的方式修復，直至高溫PT檢查顯示無裂紋，再對其焊接部位進行粗磨、精磨、拋光等工作，最后將成品提交驗收，每個維修人員對輪機進行維修必須遵守工藝紀律，嚴格按照整個工藝流程工作，保證輪機維修的質量。

（二）裂紋修復的處理要求

在對轉輪進行裂紋修復工作時，應該嚴格按照處理要求進行工作，以保證裂紋維修質量。工藝文件規定在對轉輪處理前應對設備進行PT檢查，并對裂紋進行標記。在對裂紋較大的部位進行修復時應該分段修復，每次修復的面積不得超過300cm2，修復后進行鏟磨工作，如果并沒有修復完成再繼續修復其余處，鏟磨過后可以再次檢驗，如果出現裂紋應該進行補焊，然后再對轉輪修復部位進行精磨、拋光等處理。在對轉輪裂紋進行氣刨清理時或對輪機裂紋焊接前應該先行預熱，如果中途停止焊接應該保證焊接部位的溫度在100～150℃之間。對輪機裂紋修復補焊過程中應該時刻注意焊接區域的溫度，應將焊接區溫度控制在100～230℃之間。在補焊工作結束后應將焊接區域高溫處理，讓該區域保證150℃在4h以上，然后24h后對轉輪該部位進行PT檢查，檢驗修復是否完全。

（三）裂紋清除方法

檢修人員在對輪機裂紋修復時應該根據修復要求選擇正確的修復方法。清除裂紋方式有很多，在裂紋深度小于5mm時應該采用砂輪鏟磨法修復裂紋，并且應該事先預留凹形坡口用于后期補焊。鏟磨后采用PT檢驗法檢查是否修復完成。當裂紋深度大于5mm時，可以采用氣刨鏟磨的方式進行修復，在修復時應該也預留凹形坡口便于補焊，為防止裂紋擴大應選擇距離裂紋末端10mm處開始氣刨，鏟磨后進行PT檢查。

結束語：隨著我國人民對用電量需求的增加，需要抽水蓄能水電站進一步提高生產效率，應該解決其動力裝置水泵水輪機轉輪裂紋問題。如果可以修復轉輪裂紋可以提高水泵水輪機使用壽命，降低生產成本。經過本次研究分析轉輪發生裂紋的主要原因是由于水力振動、設計不合理以及應力過高等，在對裂紋進行修復時應該嚴格按照工作要求進行修復，應根據裂紋實際深度、長度等因素選擇合適的方式修復，應注意修復質量。

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（作者單位：國網湖南水電公司檢修中心鳳灘檢修部）