泵組槳葉裂紋原因分析及處理方法

羅 毅

（國家電投集團(tuán)廣西長洲水電開發(fā)有限公司，廣西 梧州543002）

1 工程概況

長洲水利樞紐庫區(qū)南安泵站位于潯江右岸藤縣塘步鎮(zhèn)南安社區(qū)白石河口處，是樞紐防洪排澇的骨干工程，控制集雨面積為289.75 km2，防護(hù)土地面積289.55 hm2。泵站安裝3臺2750 HDQ28.5-5.8大型立式機(jī)械全調(diào)節(jié)混流泵，水泵轉(zhuǎn)輪直徑2 750 mm，槳葉采用全不銹鋼ZG0 Cr13 Ni4 Mo制造，具有較好的抗氣蝕性能，單機(jī)配套功率為2 500 kW，泵站總裝機(jī)功率7 500 kW，總排澇能力為205.5 m3/s，泵組自2007年開始陸續(xù)投運(yùn)。工程等級為II等，工程規(guī)模大（2）型，主要建筑物為2級，次要建筑物為3級。防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇洪水校核，排澇設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，外江防洪設(shè)計水位29.70 m，內(nèi)江防洪設(shè)計水位28.53 m，校核洪水位30.38 m，排澇設(shè)計洪水位21.30 m。

2 槳葉裂紋情況簡介

2017年技術(shù)監(jiān)督人員對1號泵組槳葉現(xiàn)場進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)：

（1）2號槳葉出現(xiàn)1條裂紋，長度205 mm，裂紋上端點(diǎn)距內(nèi)端80 mm，距出水邊200 mm；下端點(diǎn)距內(nèi)端270 mm，距出水邊40 mm（見圖1）。

（2）3號槳葉出水邊距葉根400 mm處有1處貫穿性裂紋，外側(cè)主裂紋長80 mm，分叉裂紋5條，從進(jìn)水邊往出水邊長度分別為20 mm、5 mm、10 mm、10 mm、22 mm；內(nèi)側(cè)裂紋110 mm；槳葉出水邊有3處凹陷（見圖 2）。

圖1 2號槳葉裂紋

圖2 3號槳葉裂紋

（3）4號槳葉根部R角外側(cè)有3處線性缺陷磁痕顯示（見圖 3）。

圖3 4號槳葉裂紋

3 槳葉裂紋的原因分析

3.1 振動過大

泵組在運(yùn)行中槳葉受力是復(fù)雜的，除正常的水力和非優(yōu)化運(yùn)行工況外，還包括因設(shè)計、制造、安裝工藝等因素引起的振動。根據(jù)3臺泵組運(yùn)行工況對比分析，1號泵組進(jìn)水流態(tài)較差、泵組振動較其他兩臺大，泵組的振動頻率與泵房固有頻率疊加產(chǎn)生共振，增強(qiáng)了對葉片的破壞性。

3.2 鑄造缺陷

根據(jù)4號槳葉裂紋觀察分析，裂紋為鑄造熱裂紋（結(jié)晶裂紋），槳葉在整體鑄造過程內(nèi)部就存在細(xì)小裂紋，隨著泵組運(yùn)行時間的增加，制造時存在的裂紋逐漸暴露出來。鑄造熱裂紋是由于液態(tài)鋼在高溫下收縮變形受阻而形成，鑄件冷卻收縮受阻后產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力超過了鋼液在該溫度下的強(qiáng)度或塑形極限便產(chǎn)生裂紋。

3.3 異物撞擊

根據(jù)3號槳葉出水邊緣發(fā)現(xiàn)的3處明顯凹陷痕跡分析，槳葉在運(yùn)行過程中受到異物猛烈撞擊，強(qiáng)大的撞擊力造成槳葉出現(xiàn)裂紋。

4 槳葉裂紋的焊接處理方法

4.1 焊接材料選擇[1]

焊接材料及焊接方式的選擇正確直接關(guān)系到處理質(zhì)量，焊接材料與焊縫金屬主要合金元素不低于母材為原則。為防止在焊接過程中或焊接后因焊縫強(qiáng)度較高而使母材產(chǎn)生新的裂紋，同時結(jié)合處理類似缺陷的經(jīng)驗，南安1號泵組槳葉母材為ZG0 Cr13 Ni4 Mo，依據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，本次處理裂紋打底選用ER410 NiMo焊絲，蓋面選用E410 NiMo焊條。

4.2 焊接處理

4.2.1 缺陷清除

槳葉裂紋缺陷清除采用角向磨光機(jī)、鉆頭等機(jī)械加工方式。為防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，在裂紋端部采用Φ5 mm的鉆頭打止裂孔，止裂孔距離裂紋尖端不大于5 mm。缺陷清除后，應(yīng)進(jìn)行檢查，確認(rèn)缺陷己消除干凈。

4.2.2 坡口加工

坡口加工采用機(jī)械加工方式。2號、4號槳葉裂紋及3號槳葉分叉裂紋坡口加工采用V形，3號槳葉主裂紋坡口加工采用X形，加工成形后的坡口表面進(jìn)行磁粉檢測。焊接前坡口及其周圍需清理干凈，直至見金屬光澤。

4.2.3 焊前預(yù)熱及焊接層間溫度

焊接前必須對槳葉焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，采用電加熱法或氧-乙炔中性火焰進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各50 mm，預(yù)熱要均勻，焊前預(yù)熱及焊接層間溫度控制在110～170℃。

4.2.4 焊接工藝[2.3]

（1）焊接前必須對使用的ER410 NiMo焊絲、E410 NiMo焊條進(jìn)行烘干。

（2）焊接采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊蓋面的方式。焊接盡量采用小線能量焊接，采用多層多道焊，減少橫向擺動。鎢極氬弧焊宜選用直徑大于或等于1.8 mm的焊絲，焊接電流為80～120 A。為了減少焊接變形和降低焊接殘余應(yīng)力，每焊完一道，必須對層間焊道進(jìn)行錘擊，錘擊后用壓縮空氣對焊縫進(jìn)行冷卻，當(dāng)焊縫溫度降至50℃以下時，方可進(jìn)行第二道焊接，每焊完一道，必須對焊縫內(nèi)焊渣、飛濺清除干凈，并露出金屬光澤。對于3號槳葉裂紋焊接完5道后，將焊縫表面清理干凈進(jìn)行著色探傷，確認(rèn)沒有產(chǎn)生新的裂紋后方可繼續(xù)焊接，直至結(jié)束。

選用E410 NiMo焊條進(jìn)行蓋面焊接，選用直接大于或等于3.2 mm的焊條，采用多層多道焊，焊道寬度不超過焊條直徑的3倍，厚度不超過4 mm。蓋面焊接后不需錘擊，整個焊接修復(fù)完成后對焊縫進(jìn)行隨形打磨處理。

3號槳葉焊接時先對分叉裂紋處V形坡口焊接，待焊接完成后再焊接主裂紋處X形坡口；X形坡口處焊接時應(yīng)采取對稱施焊（里側(cè)外側(cè)交替焊接），焊接從葉片進(jìn)水邊一側(cè)往出水邊一側(cè)進(jìn)行施焊，焊接過程中，需對焊接變形進(jìn)行監(jiān)控。

4.2.5 焊后熱處理

槳葉裂紋焊接后宜采用電加熱法或氧-乙炔中性火焰加熱方式進(jìn)行后熱，加熱范圍為焊縫每側(cè)不少于50～100 mm，后熱溫度為250～300℃，修復(fù)區(qū)域用保溫棉包覆緩冷。

4.2.6 焊接質(zhì)量檢驗[4]

（1）槳葉裂紋補(bǔ)焊工作完成后，先進(jìn)性修磨，再進(jìn)行質(zhì)量檢驗。

（2）外觀檢查焊縫不應(yīng)有咬邊、錯口、凹陷、裂紋、未熔合、氣孔和夾渣等表面缺陷，過流表面質(zhì)量應(yīng)滿足圖紙或技術(shù)文件的要求，2號、3號、4號槳葉裂紋修復(fù)后情況（見圖4、圖5、圖6）。

圖4 2號槳葉裂紋修復(fù)后

圖5 3號槳葉裂紋修復(fù)后

（3）槳葉裂紋修復(fù)后應(yīng)進(jìn)行表面無損檢驗，檢驗方法采用滲透檢測或磁粉檢測，檢測結(jié)果不得有缺陷顯示。

（4）槳葉修復(fù)后，應(yīng)采用超聲波檢測方法對焊縫進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢驗。檢驗按GB/T 11345規(guī)定的靈敏度為技術(shù)l級，檢測等級按B級進(jìn)行，焊縫質(zhì)量應(yīng)滿足GBIT 29712規(guī)定的2級驗收要求。

圖6 4號槳葉裂紋修復(fù)后

5 槳葉裂紋處理結(jié)果

槳葉裂紋按上述方法處理后，經(jīng)無損檢測全部符合要求。1號泵組運(yùn)行1年后利用小修機(jī)會，再次對槳葉裂紋修補(bǔ)情況進(jìn)行檢測，未發(fā)現(xiàn)異常。由此，確定上述槳葉裂紋處理方法切實可行。

6 結(jié)語

槳葉裂紋產(chǎn)生的因素是復(fù)雜的，是多種因素綜合作用的結(jié)果，為防止槳葉裂紋發(fā)生應(yīng)從鑄造開始把握工藝，安裝調(diào)試加強(qiáng)監(jiān)控，進(jìn)水口攔污柵勤清理，合理優(yōu)化泵組運(yùn)行工況，避免誘發(fā)槳葉裂紋的產(chǎn)生。此次長洲水利樞紐南安1號泵組槳葉裂紋成功修復(fù)，為樞紐防洪度汛奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也為水電行業(yè)出現(xiàn)同類缺陷時提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。