浅析东江水电站3号转轮叶片裂纹处理

摘要：水轮机转轮的叶片裂纹严重威胁着电厂的安全稳定运行。东江水电厂在2013年机组检修期间，对东江水电站3号转轮叶片进行三角补强处理，并在补强运行一年后停机检查。文章以此为例，浅析了转轮裂纹频繁出现的原因和处理办法，为今后彻底处理转轮叶片裂纹等问题提供了相关依据。

关键词：东江水电站；裂纹原因；无损检测；裂纹处理；三角加强筋 文献标识码：A

中图分类号：TK730 文章编号：1009-2374（2015）17-0077-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.17.039

1 概述

大东江电站机组最高水头：139m，最低水头：81m，安装高程：▽144m，设计额定功率：125MW，增容改造后，额定功率为：145MW。机组转轮采用整体铸焊结构。叶片、上冠和下环均采用低碳马氏体不锈钢ZG06Cr13Ni5Mo材料。经投运至今，每年进行例行检修时，都会发现转轮叶片上存在不同程度的裂纹，有些裂纹多次出现，对我厂机组的安全稳定运行造成了极大影响。

2 叶片裂纹原因

大东江水电站3号机转轮至2003年投运以来，几乎每年都会出现不同程度的裂纹（表1），而且绝大部分裂纹集中出现在上冠出水边，裂纹大都呈贯穿性，许多裂纹有着严重的复发性。

叶片产生裂纹的原因有很多，主要有：（1）叶片毛坯有缺陷：叶片铸件有夹渣、气孔和微观裂纹等，它往往形成裂纹源，从而导致叶片开裂；（2）转轮制造设备欠佳，产品精度差异大。3号机组叶片厚薄不均，出水边厚度最小的只有7.6mm，最大达13mm。在某些不利的条件运行时，如出现水流受到干扰、不规律开停机、导叶开度改变、卡门涡列或空化等，叶片受到交变应力会诱发焊缝产生疲劳开裂；（3）受条件所限，电站现场处理焊材与母材成分不一致，导致熔合区成分复杂，焊接接头强度不均，焊接热影响区内存在晶粒粗大的魏氏组织，该组织可以改变接头力学性能，降低接头的塑性、韧性。

3 裂纹检测方法

在机组检修时，可通过无损检测来检验叶片是否存在裂纹，电站常用的方法有：

3.1 渗透检测

渗透检测方法简单直观，是检测叶片表面裂纹的主要手段，一般对叶片上冠出水边区、下冠出水边区等组焊位置进行检测。

3.2 超声检测

超声波探伤方法对裂纹、未熔合内部缺陷的检出率较高，适宜检验较大厚度的工件，一般采用低频探头扫描，再用高频探头精确查找与定位。

4 叶片裂纹常规处理

4.1 处理方式

4.1.1 热焊即补焊加整体或局部热处理，适当的热处理对改善裂纹修复区的金属组织性能、降低焊接残余应力、提高接头抗疲劳裂纹都有很好的效果，低碳马氏体不锈钢焊缝在退火后韧性和塑型相对应焊后状态大

幅提升，但热处理设备复杂，电厂现场基本达不到条件。

4.1.2 冷焊即焊后不进行热处理的焊接工艺，它使现场的工作量最小化，劳动条件较好，但焊后接头组织和内应力难以得到有效的改善，电厂中一般都以冷焊为主。

4.2 焊接工艺

4.2.1 焊条选择：根据焊条选用原则，应选择与叶片成分结构相同的低碳马氏体焊条，但该焊条使用条件苛刻，且焊后需要热处理，不适用于电厂现场。当构件不便热处理时，可采用奥氏体焊材。它的焊缝金属为奥氏体组织，具有较高的塑型和韧性，能融入较多的固溶氢，在一定程度上限制了扩散氢在缺陷内部聚集，低温条件下有H+H→H2的反应，减少了焊缝扩散氢含量，降低接头形成冷裂的倾向。但奥氏体焊缝强度与母材不匹配，故选用奥氏体焊材时，同时要考虑母材稀释的影响。综合各方面因素，现场选择GB E318V-15（CHS237）焊条，它是低碳Cr18Ni12Mo2V不锈钢焊条，由于熔敷金属含V，故具有良好的耐热性和抗裂性。

4.2.2 工艺参数：焊条烘干温度：250℃～300℃，时间2h；电流极性：直流反接；电流范围：80～180A；碳弧气刨：速度0.5～1.0m/min；气刨电流250～350A。

4.3 裂纹清理

4.3.1 阻止裂纹延伸。对于较长的裂纹，通常用碳弧气刨来增加裂纹清理效率。若气刨过程中裂纹仍在延伸，必须在裂纹尾部10cm打止裂孔，孔深比裂纹深4～6mm。碳弧气刨容易产生高硬度渗碳层，所以经气刨后的坡口要风动砂轮机打磨至露出金属本泽。

4.3.2 坡口及裂纹清理。（1）对于非贯穿型裂纹，对裂纹进行氧-乙炔火焰预热，预热温度在40℃～60℃之间。碳棒与叶片夹角为30°～45°。刨出U型坡口，进行渗碳层打磨，坡口必须经渗透检测。确认裂纹清理干净后方可进行焊接；（2）对于贯穿型裂纹，先在迎水面对裂纹进行清除1/3叶片深度并开U型坡口（图1），打磨渗碳层，进行多层多道焊。待迎水面坡口堆焊完成，验收合格后，再对背水面剩余2/3深度的裂纹进行清理，同样开U型坡口，打磨渗碳层后经渗透检测，确认裂纹全部清理完，方可开始背水面的焊接。

4.4 补焊步骤

4.4.1 用氧-乙炔火焰预热坡口，温度为80℃～150℃，范围为坡口两侧各10cm，预热时来回移动火焰，使其受热均匀。

4.4.2 保温筒中取出CHS237焊条进行坡口打底焊。焊接时层间温度控制在120℃～200℃之间。焊接完成或中途停焊和停焊后重新起焊都要对焊缝和母材进行加温到80℃～150℃。

4.4.3 坡口填充焊时每层焊缝都需要用风铲或小锤锤击，以清除焊渣、释放焊接内应力。

4.4.4 焊接长度在200mm以上的，采用分段退焊方法，该焊接手法可以大幅消减焊接接头高应力区域。焊接顺序采用先焊两端后焊中间的方法（图2）。该焊接顺序可以起到降低焊接危险区域的拉应力峰值的作用。

4.4.5 对止裂孔进行补焊，待所有补焊完成后，对焊缝进行打磨修平。为避免漏检冷裂纹，选择在焊后24h后进行无损，若发现超标缺陷，继续进行清理补焊。

4.4.6 对焊缝进行抛光处理，保证叶片与上冠、下环焊接R角的同时，对于叶片出水边靠上冠、下环焊缝处的棱角，打磨成圆弧过渡（约R2～R3），以减少应力集中。

5 三角补强筋处理

针对大东江3号机组上冠出水边裂纹频发的情况，东江水电厂和转轮厂家联合设计了一套转轮叶片三角补强方案，该方案主要通过彻底清除裂纹频发位置，增焊补强筋来达到抑制裂纹的目的。

5.1 刨除补强位置

利用补强筋的标准尺寸，对裂纹频发的上冠出水边区域进行标记画线，通过碳弧气刨枪清理出三角区域，清理渗碳层，打磨出标准坡口，利用无损检测确认坡口位置无裂纹等缺陷。

5.2 补焊三角补强筋

将补强筋装配好，利用上述焊接工艺来对补强筋进行补焊，同时补焊时要随时进行锤击来释放焊接接头内应力。补焊完成后对焊缝进行打磨抛光，补焊凹点。最后进行无损检测，若出现超标缺陷则继续返修。

6 结论与建议

（1）在条件允许的情况下，尽可能返厂进行热焊修复。即使只能冷焊处理时，也要严格遵守现场施工工艺；（2）一些复发性裂纹，由于母材经多次焊接，导致内部成分复杂，所以历年来占叶片裂纹的主导位置，但经过2013年三角补强工艺后可看出，该工艺对复发性裂纹有一定的效果，可以为今后复发性裂纹的处理提供一定依据；（3）大东江3号机组三角补强筋工艺未改变叶片上冠出水边的结构（设计人员认为该区域结构与卡门涡现象无关），仅仅去除原叶片裂纹频发修焊区域并用同材料三角补强筋修复叶片，根据处理效果来看，不是很理想。而其他3台后续改造的机组叶片厚度稍有增加则裂纹控制情况大为改善。可见，改造后的大东江机组转轮上冠与出水边结构设计是控制裂纹产生的关键点之一。

参考文献

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作者简介：吴寿涛（1988-），男，湖南省东江水力发电厂助理工程师，研究方向：水电金属部件的焊接维护与监督。

（责任编辑：秦逊玉）