蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因及修復(fù)工藝簡(jiǎn)介

王志楠，沈華哲，劉功亮，楊偉坡

（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東 廣州 511400）

0 前言

轉(zhuǎn)輪是抽水蓄能機(jī)組能量轉(zhuǎn)化的核心部件，也是機(jī)組研發(fā)、制造難度最大、困難最多的關(guān)鍵部件?，F(xiàn)階段大型蓄能機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪基本采用鑄焊結(jié)構(gòu)，由上冠、下環(huán)、葉片組焊而成。針對(duì)轉(zhuǎn)輪的使用環(huán)境及制造工藝要求，轉(zhuǎn)輪材料通常應(yīng)具備如下性能：

（1）足夠的強(qiáng)度、塑韌性以及水下抗疲勞性能；

（2）較好的耐空蝕性能；

（3）優(yōu)良的耐磨損性能。

1 轉(zhuǎn)輪材質(zhì)發(fā)展歷程

隨著低碳鋼、超低碳鋼材料的研究及現(xiàn)代化加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，抽水蓄能機(jī)組的設(shè)計(jì)研發(fā)、制造水平也有了很大的提高。其中轉(zhuǎn)輪鑄造材料也不斷的更新?lián)Q代，由之前的Z5CN 17 04-M（下述簡(jiǎn)稱(chēng) 17-4）、06Cr16Ni5Mo（下述簡(jiǎn)稱(chēng) 16-5），到近 30年來(lái)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)輪廠家廣泛應(yīng)用的06Cr13Ni4Mo（下述簡(jiǎn)稱(chēng)13-4）。而鋼中C元素是一種強(qiáng)烈的奧氏體擴(kuò)大元素。若含量過(guò)低，鋼會(huì)失去淬火能力；若含量過(guò)高，鋼的強(qiáng)度和硬度將會(huì)提高，但是塑性和韌性降低，將會(huì)導(dǎo)致焊接性能變差。鐵研式試驗(yàn)證明，含C=0.084%的母材的裂紋率顯著高于含C=0.036%的母材[1]。17-4、16-5材料中 C、Cr含量較 13-4稍高，而Cr元素含量是不銹鋼耐腐蝕性能的標(biāo)志，一般選擇將Cr含量控制在略高于臨界含量水平，即11.5%～14%[2]。故 17-4、16-5比 13-4鑄造的轉(zhuǎn)輪有更強(qiáng)的耐磨性及耐腐蝕性能，更適合于腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)中使用，但是其加工制造難度較大，成本較高。13-4在傳統(tǒng)ZG10Cr13不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)降低C含量并增加適量的Ni和Mo元素來(lái)改善其綜合性能，一方面使鑄態(tài)組織單一的低碳板條馬氏體具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，同時(shí)也使其具有優(yōu)異的鑄造、焊接性能以及良好的強(qiáng)韌性。故其綜合性能較好，制造難度、價(jià)格性?xún)r(jià)比都是較高的。

表1 16-5母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）及機(jī)械性能

表2 13-4母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）及機(jī)械性能

2 轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的主要原因

2.1 設(shè)計(jì)方面

水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)過(guò)程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都與轉(zhuǎn)輪最終的性能與質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系，對(duì)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行使用中的疲勞壽命更有著關(guān)鍵影響。

蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪由葉片、上冠、下環(huán)三部分組成，葉片與上冠、下環(huán)處都屬于T型接頭焊接，一般葉片兩端與上冠、下環(huán)焊接處均為滿焊，故兩端的焊接熱影響區(qū)內(nèi)可能存在一定的應(yīng)力集中[3]。所以轉(zhuǎn)輪裂紋一般發(fā)生在葉片兩端，即葉片與上冠、下環(huán)焊接處。因此葉片與上冠、下環(huán)接合部位焊縫圓弧處的過(guò)度半徑大小設(shè)置尤為重要。加工制造方面，葉片與上冠、下環(huán)各部件的倒角應(yīng)適當(dāng)修圓，近表面光潔度應(yīng)滿足要求，避免由于光潔度不滿足造成氣蝕，逐漸演變?yōu)榱鸭y。

2.2 制造方面

在制造過(guò)程中，因鑄造及焊接工藝和方法不當(dāng)造成的組織疏松、氣孔、砂眼、夾渣、微裂紋、欠熔或過(guò)熔等缺陷。一般超標(biāo)的鑄造、焊接缺陷，在機(jī)組投運(yùn)初期由于應(yīng)力集中作用就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。除此之外，焊接殘余應(yīng)力也應(yīng)該是值得關(guān)注的對(duì)象。焊接前母材預(yù)熱、焊接過(guò)程中的工藝及各參數(shù)控制等都是決定是否產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素。若是多層焊時(shí)，每層焊接完成后采取錘擊措施，焊接后相關(guān)熱處理等都能夠取得降低焊接殘余應(yīng)力的效果。若上述工藝不當(dāng)，其結(jié)果也是使焊接金屬及其熱影響區(qū)承受動(dòng)載荷的能力降低，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪交變應(yīng)力的作用，促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展。

2.3 運(yùn)行條件

水泵水輪機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其流量、水頭、負(fù)荷總是變化的，且蓄能機(jī)組運(yùn)行工況較為復(fù)雜。轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行期間不僅承受重力、離心力、水壓力和殘余應(yīng)力，還要承受高速水流的沖擊力及各種水力脈動(dòng)因素誘發(fā)的振動(dòng)（尤其是共振）產(chǎn)生的交變應(yīng)力。在機(jī)組開(kāi)機(jī)、停機(jī)或負(fù)荷增減過(guò)程中，由于機(jī)械、水力、電氣等物理量的不平衡，引起機(jī)組劇烈振動(dòng)。劇烈的振動(dòng)也會(huì)使葉片與上冠、下環(huán)焊接處產(chǎn)生裂縫或加劇內(nèi)部微觀裂紋的惡化[3]。

3 廣州蓄能水電廠2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋處理

廣州蓄能水電廠（下述簡(jiǎn)稱(chēng)廣蓄）A廠機(jī)組水泵水輪機(jī)由法國(guó)Neyrpic公司制造，為單級(jí)、立軸、混流可逆式，采用下拆方式。轉(zhuǎn)輪由17-4（Z5CN1704M）不銹鋼整鑄，有7個(gè)葉片，直徑為3 886 mm。2號(hào)機(jī)組繼2005年第一輪大修后，于2019年9月開(kāi)始第二輪大修。按照檢修規(guī)程，第二次大修期間現(xiàn)場(chǎng)分別使用PT、MT兩種探傷方法對(duì)轉(zhuǎn)輪如圖1所示部位進(jìn)行了探傷檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)4號(hào)葉片出水邊R角處、5號(hào)葉片下環(huán)焊縫兩處熱影響區(qū)均存在明顯的線性缺陷。如圖2所示。

圖2 4號(hào)、5號(hào)葉片裂紋示意圖

本次葉片裂紋是在機(jī)組運(yùn)行了將近20年才顯現(xiàn)，可以說(shuō)明裂紋并不是由葉片的材料或鑄造時(shí)焊接質(zhì)量引起的（此原因引起的裂紋一般都會(huì)在機(jī)組投運(yùn)初期即可發(fā)生）。應(yīng)屬于長(zhǎng)期作用在葉片上的交變應(yīng)力引起的疲勞裂紋。隨著機(jī)組20年來(lái)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪葉片疲勞強(qiáng)度已在逐漸降低，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的頻繁開(kāi)停機(jī)、高水頭運(yùn)行，葉片承受的交變載荷已超過(guò)了葉片疲勞強(qiáng)度極限導(dǎo)致裂紋。

廣蓄2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋修復(fù)過(guò)程如下：

（1）裂紋部位的清理：用角向磨光機(jī)對(duì)經(jīng)過(guò)100%PT+100%MT檢測(cè)精準(zhǔn)定位后的缺陷部位進(jìn)行逐層打磨，每次打磨厚度在1～2 mm范圍內(nèi)，打磨期間反復(fù)進(jìn)行100%PT+100%MT檢測(cè)，直至確認(rèn)漏出的母材無(wú)缺陷。經(jīng)過(guò)逐層打磨探傷，最終確認(rèn)4號(hào)葉片出水邊R角處裂紋深20 mm，長(zhǎng)70 mm，5號(hào)葉片與下環(huán)焊縫處裂紋深30 mm，長(zhǎng)190 mm。

（2）焊材準(zhǔn)備：三相及以上組織焊材中含有的奧氏體屬于面心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)滑移面有3個(gè)滑移方向，而馬氏體屬于體心立方結(jié)構(gòu)，每個(gè)滑移面有2個(gè)滑移方向，滑移方向多的晶體塑性較好，不易產(chǎn)生裂紋[4]。故現(xiàn)場(chǎng)選用多相式不銹鋼焊材G367M（主要以?shī)W氏體為主），能同時(shí)滿足鐵素體、馬氏體、奧氏體等多種金相組織結(jié)構(gòu)金屬的焊接。且蓄能電廠轉(zhuǎn)輪都是成型的，只是在有缺陷的局部位置進(jìn)行修復(fù)，所以局部焊接修復(fù)時(shí)必須能夠很好的適應(yīng)成型轉(zhuǎn)輪，即要求焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力越小越好。而G367M不銹鋼焊材奧氏體含量相對(duì)較多，焊接時(shí)塑型較好，故其焊接時(shí)應(yīng)力分散效果更好，不容易出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。其化學(xué)成分如表3。馬氏體不銹鋼焊接主要問(wèn)題是對(duì)氫致裂紋比較敏感。因氫離子穿刺性較強(qiáng)，其含量過(guò)多會(huì)比較容易造成冷裂紋。而氫離子可能來(lái)自焊材或者母材中的水分。故選用的G367M焊條在使用前需在烘干箱中按照350～400 ℃烘干2 h后在100～150 ℃的恒溫箱中保存，領(lǐng)用時(shí)用保溫筒存放，保溫筒應(yīng)持續(xù)通電保溫。

表3 焊條熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

（3）焊接過(guò)程：將轉(zhuǎn)輪葉片缺陷區(qū)域及周?chē)?00 mm范圍清掃干凈，并用熱風(fēng)槍預(yù)熱至80℃，加熱過(guò)程中使用手持式測(cè)溫筆進(jìn)行監(jiān)控（熱風(fēng)槍升溫溫和性較好，是現(xiàn)場(chǎng)較理想的預(yù)熱工具）。保溫1 h后按照表4的焊接工藝進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)工作。多層多道焊接過(guò)程中需監(jiān)控焊接層間溫度，每層焊接完成后采取錘擊措施來(lái)降低焊接應(yīng)力?？刂坪附訒r(shí)的層間溫度的目的是為了避免組織變化及消除應(yīng)力。層間溫度高，焊接接頭融合區(qū)的熱影響區(qū)的馬氏體束會(huì)變大，晶粒粗大，形成低塑性馬氏體組織，造成脆性降低，在焊接應(yīng)力的作用下很容易產(chǎn)生裂紋[5]。焊接過(guò)程中線能量包括電壓、電流、焊接速度3項(xiàng)要點(diǎn)。第一道焊接時(shí)電流可以適當(dāng)增大，是為了使得焊接溫度高一點(diǎn)。第二道焊接時(shí)可適當(dāng)調(diào)小，避免電流過(guò)大使得熱點(diǎn)輸入過(guò)大導(dǎo)致層間溫度過(guò)高，造成應(yīng)力集中，熱變形過(guò)大。電流與層間溫度互相協(xié)調(diào)，當(dāng)層間溫度過(guò)高時(shí)，電流適當(dāng)調(diào)小，即減少熱輸入量，反之，電流適當(dāng)增大。焊后再焊接一層作為回火層，回火層至母材約為1～2 mm，便于待焊接區(qū)域冷卻至室溫后，進(jìn)行隨形打磨處理。如下圖3所示。

表4 G367M焊條焊接規(guī)范

（4）焊后探傷試驗(yàn)：保溫緩冷至室溫和焊后48 h后分別對(duì)補(bǔ)焊部位進(jìn)行100%PT+100%MT檢查，無(wú)線形缺陷顯示或顯示直徑超過(guò)2 mm的圓形缺陷。

圖3 葉片修復(fù)回火層焊接示意圖

4 總結(jié)

為盡可能減少轉(zhuǎn)輪形成裂紋，保證機(jī)組轉(zhuǎn)輪無(wú)故障長(zhǎng)期運(yùn)行，建議應(yīng)采取如下措施：

（1）避免或減少機(jī)組在低負(fù)荷、超負(fù)荷或不穩(wěn)定工況下運(yùn)行的時(shí)間。

（2）減少機(jī)組開(kāi)／停機(jī)或負(fù)荷變動(dòng)次數(shù)。

（3）對(duì)單機(jī)容量大、高水頭、高轉(zhuǎn)速的蓄能機(jī)組轉(zhuǎn)輪，應(yīng)科學(xué)的制定相應(yīng)檢查周期，對(duì)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力集中、易產(chǎn)生裂紋的部位周期性的進(jìn)行無(wú)損探傷檢測(cè)是十分有必要的[6]。現(xiàn)場(chǎng)打磨修復(fù)時(shí)必須使用不銹鋼專(zhuān)用拋光輪及拋光片，避免轉(zhuǎn)輪碳污染。

（4）新建電廠業(yè)主在驗(yàn)收轉(zhuǎn)輪時(shí)，可要求鑄造廠家進(jìn)行轉(zhuǎn)輪產(chǎn)品試塊，即使用與轉(zhuǎn)輪同批次的相同材料、焊材，同樣的焊接參數(shù)進(jìn)行焊縫模擬，與轉(zhuǎn)輪同時(shí)進(jìn)行熱處理，最后進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)，從而可以更好的檢驗(yàn)轉(zhuǎn)輪鑄造質(zhì)量。