水輪機(jī)槳葉樞軸裂紋產(chǎn)生原因分析及處理

謝 林 陸 明 索宏偉

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

1 概 述

四川雅礱江桐子林水電站安裝有4臺(tái)150MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為ZZA1093-LH-1010，額定出力153.10MW，最大出力170.1MW。

在2019年初檢修期間對(duì)水輪機(jī)槳葉進(jìn)行滲透探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)其5號(hào)槳葉樞軸R角位置出現(xiàn)兩條間斷的橫向裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為23mm、120mm。對(duì)兩條裂紋進(jìn)行打磨清根處理時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩條裂紋逐漸合并，當(dāng)清根尺寸為345mm(長(zhǎng))×80mm(寬)×75mm(深)時(shí)，PT探傷仍能發(fā)現(xiàn)裂紋。

2 裂紋情況介紹

該水電站水輪機(jī)槳葉最大外圓直徑為10089.9mm，葉片數(shù)為5片，單片槳葉凈重25.5t，槳葉材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo。在2018年初，發(fā)現(xiàn)5號(hào)槳葉樞軸R角位置有一條橫向裂紋，長(zhǎng)度為60mm，打磨清根的坡口尺寸達(dá)330mm(長(zhǎng))×37mm(寬)×47mm(深)，首次補(bǔ)焊完成后PT探傷發(fā)現(xiàn)，在補(bǔ)焊部位與母材交匯處有不連續(xù)細(xì)小裂紋，對(duì)細(xì)小裂紋打磨清根，其打磨清根的坡口尺寸達(dá)160mm(長(zhǎng))×34mm(寬)×38mm(深)，補(bǔ)焊完成后PT探傷合格。但在2019年初檢修期間對(duì)該部位進(jìn)行PT探傷時(shí)，再次發(fā)現(xiàn)兩條間斷的橫向裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為23mm、120mm，且裂紋出現(xiàn)的部位與2018年初重合，系復(fù)發(fā)缺陷。

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

3.1 應(yīng)力誘發(fā)裂紋

由于該部位的裂紋系復(fù)發(fā)缺陷，對(duì)槳葉在額定水頭、最大水頭、飛逸工況下的應(yīng)力及槳葉強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 槳葉在額定水頭下應(yīng)力分布

圖2 槳葉在最大水頭下應(yīng)力分布

圖3 槳葉在飛逸工況下應(yīng)力分布

根據(jù)上述分析，得出在各種工況下槳葉變形量及應(yīng)力值(見表1)。

表1 槳葉變形量及應(yīng)力分布情況

由于5號(hào)槳葉樞軸R角處裂紋位置位于葉板與樞軸導(dǎo)圓的中間位置處，根據(jù)不同工況下應(yīng)力分布圖可知，該處并不是最大應(yīng)力位置，裂紋位置最大應(yīng)力約為60.6MPa，可見不是應(yīng)力水平不足引起的裂紋缺陷，排除了因應(yīng)力集中導(dǎo)致復(fù)發(fā)缺陷的可能。

3.2 制造缺陷誘發(fā)裂紋

通過打磨清根及PT探傷發(fā)現(xiàn)，裂紋在槳葉樞軸處一直斷續(xù)不連貫，但逐步打磨清理時(shí)，裂紋又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)延展，通過現(xiàn)場(chǎng)分析，裂紋處內(nèi)部存在疏松及線性缺陷，判斷在5號(hào)槳葉葉板與樞軸導(dǎo)圓中間位置R角處出現(xiàn)的裂紋系原始鑄造缺陷運(yùn)行后擴(kuò)展造成的?，F(xiàn)場(chǎng)打磨現(xiàn)狀見圖4。

圖4 裂紋處內(nèi)部缺陷現(xiàn)狀

4 裂紋處理工藝及強(qiáng)度復(fù)核

4.1 裂紋清理

由于打磨清根的坡口尺寸已達(dá)345mm(長(zhǎng))×80mm(寬)×75mm(深)，在兩端相距500mm處使用砂輪或旋轉(zhuǎn)銼鉆120mm深的止裂孔，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。

對(duì)裂紋部位進(jìn)行加溫預(yù)熱至80℃以上，采用碳弧氣刨對(duì)裂紋進(jìn)行清理。碳弧氣刨清除部位必須仔細(xì)鏟磨，徹底去除滲碳層，全部露出金屬光澤，滿足PT探傷要求。

當(dāng)打磨清根尺寸達(dá)480mm(長(zhǎng))×100mm(寬)×135mm(深)時(shí)，在坡口兩端部仍發(fā)現(xiàn)有部分短小線性缺陷，由于線性缺陷不連續(xù)、不規(guī)則，考慮到槳葉樞軸強(qiáng)度，不再進(jìn)一步清根，開始進(jìn)行打底封焊處理。

4.2 補(bǔ)焊修型

焊接方式為氣體保護(hù)焊，焊接電流為23A，采用的打底焊絲為ER316L不銹鋼焊絲，每焊接一段(每次起弧到收弧之間焊接的一小段)即進(jìn)行敲擊和打磨，合格后再進(jìn)行下一步焊接。由于補(bǔ)焊區(qū)域焊后無法進(jìn)行熱處理，補(bǔ)焊操作時(shí)采用窄焊道(最大15mm寬)、薄焊層(每層厚度3～5mm)。蓋面層焊接完成后使用回火焊道技術(shù)進(jìn)行保護(hù)(即當(dāng)蓋面層焊接完成后，在蓋面層上再焊接一層以達(dá)到對(duì)蓋面層焊道進(jìn)行回火的目的，回火焊道只能焊接在蓋面層上且不能與兩側(cè)的母材相接觸)，回火焊道隨后鏟磨清除。

除打底第一層焊道以外，包括表面回火焊道在內(nèi)的其他各層焊道均需要進(jìn)行充分的錘擊以消除焊接殘余應(yīng)力，達(dá)到表面充分屈服為止。 打底厚度達(dá)80mm后，經(jīng)PT檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)裂紋，后續(xù)采用HS367M焊絲進(jìn)行填充焊接直至焊接完成。打磨修型后，經(jīng)表面PT、MT探傷檢查未發(fā)現(xiàn)異常(見圖5)。

圖5 補(bǔ)焊修型后無損檢測(cè)情況

4.3 強(qiáng)度校核

由于打磨清理的根部存在短小線性缺陷，通過模擬槳葉內(nèi)部缺陷位置忽略的應(yīng)力水平核算方法進(jìn)行校核，即考慮槳葉為空心槳葉，從工作面及背面法向平移一定厚度后自然形成槳葉空腔后進(jìn)行應(yīng)力水平核算，通過計(jì)算空心槳葉應(yīng)力與原槳葉應(yīng)力基本相當(dāng)(見圖6、表2)

槳葉的材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo，材料的極限強(qiáng)度為750MPa，而模擬空心槳葉，在極限工況下應(yīng)力值也僅為155.8MPa，考慮內(nèi)部存在的短小線性缺陷，即使補(bǔ)焊處理的有效深度僅120mm，也完全滿足長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 論

2019年3月、5月及2020年2月，共3次對(duì)該部位進(jìn)行PT、MT探傷檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)處理消除了裂紋進(jìn)一步惡化隱患，保證了機(jī)組按期并網(wǎng)運(yùn)行，為類似水輪機(jī)槳葉裂紋檢查處理提供了借鑒。