簡析水輪機轉輪葉片裂紋的形成與處理

何興民

五凌電力有限公司碗米坡水電廠，中國·湖南 湘西 416500

1 引言

水輪機在運行過程中，受到較強循環應力和水推動力的作用，倘若外部應力超出了水輪機自身材料的疲勞極限值，極易在轉輪存在缺陷的部位萌生疲勞裂紋，產生裂紋源。由于是當水流狀態不佳的情況下，水輪機轉輪葉片需要承受更大的應力，加之隨著運行時間的延長，轉輪葉片剩余疲勞承受能力減弱，近乎達到疲勞限值，即所謂的臨界點，更容易出現缺陷。因此，分析葉片裂紋的形成原因，及早發現缺陷、處理缺陷，對避免裂紋源的產生，延長葉片運行年限意義重大。

2 裂紋產生的常見原因

2.1 葉片本身存在應力集中

通過有限元計算分析可以得出，水輪機轉輪葉片受到離心力與水壓力的影響后，外部主要應力會集中于轉輪葉片周圍，根據第三強度理論，對應力周圍葉片的應力分布情況進行計算，應力分布見圖1。

圖1 轉輪葉片周邊應力分布及裂紋分布

如圖1所示，存在4 個高應力區，第一應力區為轉輪葉片進水邊上冠位置；第二應力區為出水邊中心位置；第三應力區為出水背面上冠位置；第四應力區處于下環與葉片連接位置。這與實際轉輪葉片的裂紋位置相吻合，符合裂紋常出現在凈應力和動應力較大部位的一般規律。

2.2 鑄造缺陷

大型水輪機的轉輪葉片采用鑄造的加工工藝，制造過程中產生的鑄造氣孔和砂眼受到外應力的影響，容易形成葉片裂紋。同時，大型水輪機的轉輪都是焊接結構，但葉片的上冠與下環厚度具有一定差異，進行結構焊接時容易發生應力變形、疏松和冷熱裂等，對于焊接結構的轉輪，如果焊接工藝不當，或制造過程中未嚴格遵循焊接工藝作業，在焊縫及熱影響區也將產生裂紋[1]。

2.3 運行過程中不同工況的影響

通常，當水輪機處于不同運行環境下，葉輪葉片所承受的動應力也存在差異，當水流狀態不佳，會導致水輪機轉輪葉片受到的動應力增大。因此，長期低負荷、超負荷或在震動區運行會大大加劇裂紋的產生。

3 常見無損探傷工藝

在機組檢修過程中都會對水輪機轉輪進行無損探傷，借以找出肉眼無法直接觀察到的缺陷，這對于及時發現缺陷，對葉片中的缺陷問題采取科學處理，避免安全事故的發生。嚴重的裂紋可通過肉眼或者借助部分光學儀器直接檢查發現，但較細小的裂紋和內部缺陷卻無法通過以上辦法發現，因此必須進行無損探傷。當前常見無損探傷工藝包括以下幾種：磁粉探傷工藝、滲透探傷工藝、超聲波探傷工藝、射線探傷工藝、金屬記憶探傷工藝以及渦流探傷工藝等[2]。

3.1 超聲波探傷

3.1.1 超聲波檢測的基礎知識

超聲波是由高頻振動和彈性介質產生的高頻聲波，從物理學角度來說，可以通過聲速（c）、波長（λ）、頻率（f）、角頻率（ω）、周期（T）等幾個物理量來描述超聲波的特性。其中f 與T 受到超聲波的波源影響，c 與介質對超聲波的波形產生影響，滿足如下關系：

超聲波波長很短，使其方向性很好，能夠充分展現出其他光波都具備的定向束射特征；穿透性強，對于大多數介質來說都有較強的穿透能力；超聲波檢測時頻率遠超常規聲波頻率，所以能量同樣超過常規聲波的能力，當超聲波傳播途徑中遇到界面阻擋，將使超聲發生反射或折射?；谶@一物理現象，才能很好地達到無損探傷的目的。

3.1.2 超聲波檢測的方法

利用超聲波進行檢測方法眾多，一般根據超聲波的波形、傳播原理、探討數量、接觸方式進行細化分類。在實際檢測中，超聲波檢測方法的設備與器材主要包含超聲檢測設備、試塊、檢測探頭、機械掃查設備以及耦合劑等。超聲波探傷方法對葉片內部裂紋、未融合等面積型缺陷有著較高的檢出率，特別適宜較大厚度工件的檢驗。但是，該種方法對奧氏體不銹鋼與鑄鋼材料的檢驗效果并不理想，這些鋼材內部由于顆粒較大，超聲波反射容易造成缺陷混反饋混淆，從而無法精準判斷缺陷位置與成都，因此超聲波檢測方法在上述材質的水輪機轉輪葉片裂縫檢測中并不適用[3]。

3.2 射線探傷

射線檢測常用的方法是照相法，在實際運用中其原理是通過射線剛光彩路的使用，放在被透照試件的背面接受透過試件后的射線。當射線穿過物體后，會逐漸發生衰減，而述案件程度和穿過物質的厚度、材質以及缺陷有著直接關系，因此落在膠片上產生的感光效果也存在差異，從而形成黑度不同的圖像。膠片曝光后在暗室對圖像進行處理，能夠呈現出物體結構圖。再針對呈現出來的圖形中黑度均勻狀態，就能精準判斷出試件內部的缺陷狀態、形狀、大小和位置。表現出較高的可靠性與靈敏度，并且重復性較好。但通過對轉輪葉片裂縫產生原因分析來看，裂縫容易發生在應力集中區域，但這些集中區域透光難度較大，因此利用射線法進行水輪機轉輪葉片無損探傷的效果也會受到一定影響。

3.3 滲透探傷

滲透探傷法是一種操作簡單的工藝方法，利用滲透探傷法可以直觀呈現出缺陷情況，滲透探傷在實際運用中是基于物理學原理為基礎，遵循毛細現象和固件濕潤能力，將滲透液涂抹在被測工件中，通過濕潤作用與毛細現象，可以使滲透液進入具有缺陷的位置中，隨后將工件不存在缺陷的位置沖洗干凈，突破吸附力強的顯像劑，將滲透裂縫中的滲透液吸附出來，從而通過顯像劑呈現出工件內缺陷形狀和位置，以此來達到無損檢測的效果。水輪機轉輪葉片中廣泛引入了滲透探傷法，憑借其簡單易操作、經濟、直觀的特點，在不同方向上都能得到良好的檢測效果。在對于不規則零部件探傷中，利用滲透探傷無法有效檢測表層以下的缺陷問題，因此這種方法在實際應用中也存在一定局限性[4]。

3.4 磁粉探傷

磁粉探傷方法主要是結合工件受到磁化后，其中不連續部位受到磁力線的影響，出現畸變現象，一些磁力線容易溢出材料表層，形成漏磁場，這時檢測人員將磁粉撒在檢測工件中，漏磁場會將磁粉吸附在一起，從而顯現出缺陷的位置與形象。因此，磁粉探傷法廣泛運用在磁鐵材料的缺陷檢查中，但是對于難以磁化的部位無法使用此方法。

綜上所述，在機組檢修期間，由于不同的探傷方法都表現出各自的優缺點，理想狀態下，應對水輪機轉輪進行如下檢查：

①首先徹底清洗水輪機轉輪葉片，對葉片進行外觀檢查，及時發現大型裂縫；

②對水輪機轉輪葉片磁化位置采取磁粉探傷檢測法，對其他部位采用滲透探傷方法進行檢測；

③對于常見的應力集中區利用超聲波探傷，可有效地發現潛藏在材質內部的缺陷，對于發現的缺陷應及時進行處理。

4 裂紋處理工藝

4.1 鉆止延孔

通常情況下，存在裂縫的兩端內應力與水輪機轉輪葉片材料本身極限強度一致，受到應力影響會持續延展，如果不做措施，裂紋會繼續向兩端延展，因此應及時在裂縫兩端進行開孔，防止裂縫延續，孔徑為5～7 mm，孔深超過裂紋深度，以防裂紋繼續擴展，同樣的，如果在補焊過程中發現裂紋向外延伸，應及時打孔止裂。

4.2 鏟坡口

利用風鏟與碳弧氣刨鏟除裂紋，可有效保證焊接質量，但是勞動量大、強度高、速度慢，結合裂縫深度，選擇適合的鏟頭；當裂紋深度較大時，可使用碳弧氣刨進行反復吹割，過程操作簡單，效率高。吹割的過程中會產生大量熱量，在引起葉片受熱變形和裂紋擴展的同時，還會在坡口處形成滲碳層，因此實際操作中應間斷進行作業，坡口還應用砂輪進行磨削處理，以清除滲碳層。

坡口形成后仍需進行探傷，當確定所有裂紋均已清除后方可進行下一步的補焊工作。

4.3 補焊工藝

葉片補焊一般采用同種材料熱補焊和奧氏體焊條實施冷焊。

4.3.1 冷焊工藝

在確定開坡口過程中已將裂紋完全清除后方可進行補焊。

①需對補焊區進行預熱處理，預熱溫度一般控制在100 ℃～150 ℃，最好使用履帶加熱器進行加熱，局部預熱也可采用氧—乙炔火焰在坡口處來回移動均勻加熱。

②用A307 焊條進行補焊，焊條使用前需在200 ℃～300 ℃的溫度下烘焙1～2 小時，當水輪機轉輪葉片的坡口發生對焊現象后，其中每層都需要利用焊接面敲打消除應力，待完全冷卻后再焊下一層，最后一層不用錘擊，如果已經裂穿，第一層也不要錘擊。焊接時采用小規范，要將電流控制在100～110 A，電壓控制在24～26 V，層間溫度150 ℃～200 ℃。

③作業完成后要用石棉將焊接處蓋好，使其緩慢冷卻。待冷卻后使用砂輪機打磨焊接位置，并使用無損探傷方法檢測裂紋和缺陷位置。

④檢查無缺陷后對補焊部位進行修磨，應保證補焊部位的形狀符合原本水輪機轉輪葉片平整度和線型，以避免應力集中，引起開裂；若補焊部位處于葉片上冠和下環間的過度R 角部位，需將R 角修整到符合設計要求。

4.3.2 熱焊工藝

①為有效避免焊接完裂紋后出現應力集中的現象，改善焊縫金相組織，必須采用熱焊工藝，葉片預熱溫度在150 ℃～200 ℃。整體預熱需吊出機坑，搭設保溫棚后用電爐或電渦流加熱，局部可直接用氧—乙炔火焰加熱。

②采用與葉片相同材料的焊條或接近的焊條進行補焊，也可用氬弧焊堆焊。焊接時要求熔深盡量大，對于較長的焊縫需采用分段退步焊接，較大的裂紋采用鑲邊焊接的方式。焊接電流控制在130～140 A，電壓為24～26 V，層間溫度控制在150 ℃～200 ℃。為消除焊接應力同時提升焊縫品質，每完成一道焊縫應徹底清理焊渣，用小風鏟錘擊焊縫，直至焊波模糊不清以消除應力，每完成一道都要重復以上工序。完成后應仔細檢查是否存在氣孔，若有氣孔應分析找出原因并將焊縫完全鏟掉重新補焊，焊波搭接寬度不小于焊波寬度的1/3。若汽蝕區出現裂紋，在完成裂紋補焊后還需在其表面增加抗汽蝕層。

③裂紋補焊完成后應注意焊接區域的保溫，焊后緩冷到150 ℃～200 ℃，再加熱到600 ℃，保溫2 h 進行回火處理。應使整個區域緩慢均勻冷卻，防止局部溫降過大產生新的冷裂紋。待完全冷卻后用上述探傷方法進行探傷，確定缺陷已完全消除后再使用砂輪機進行修磨處理，恢復轉輪葉片原來型線，并作拋光處理以保證表面光潔度達到原出廠標準。

兩種工藝相比較，冷焊工藝簡單，施工時長短，焊接過程中不發生相變，故無需進行提前預熱，且焊縫塑性好。但奧氏體焊條強度低于母材，同時由于沒有進行預熱，靠近焊縫附近的冷卻速度較大，將不可避免地在補焊近縫區產生淬硬組織，影響補焊接頭處的力學性能。熱焊工藝由于采用同種材料或相近的材料，因此在焊前要進行預熱、焊后需進行熱處理，焊接工藝復雜，對施工人員的要求高，施工環境惡劣。但由于補焊的材料與母材一致，故完成補焊后的葉片在使用過程中發生問題的可能性極小。

5 結語

水輪機轉輪葉片出現裂紋嚴重影響著機組的安全穩定運行，也直接影響水電廠的安全經濟運行。因此在檢修過程中應對應力集中區域及裂紋易發區進行重點檢查，采用無損探傷的方式，發現缺陷應及時處理；并在平時運行中避開不利工況，將危險控制在萌芽狀態，保證機組的安全經濟運行。