水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理

庞希斌，彭硕群，祝加勇，蒋君操，杨 恒，吴 敏，宋太平，汤 巍，何忠华

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 引言

随着我国经济的不断发展，资源消耗的速度也在不断的加快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。转轮是抽水蓄能电站水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，水轮机转轮作为水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

本文介绍了黑麋峰抽水蓄能电站3号、4号机转轮在检修中发现的裂纹，其特征以及修复工艺控制，综合分析裂纹成因，根本清除裂纹隐患，结合厂家建议，提出电厂在机组运行方式以及维护检修方面预防转轮裂纹事故的参考建议。

2 转轮裂纹成因分析

转轮裂纹通常是在多个因素（比如交变外载荷、机组运行时的振动、结构存在薄弱环节、工程制造过程中的缺陷等）的综合作用下产生，以下对黑麋峰电站转轮裂纹成因从水力设计、结构强度计算及材料选择、制造工艺及控制流程等方面进行分析说明。

2.1 黑麋峰电站机组转轮参数

黑麋峰电站水泵水轮机（HLNTP-LJ-504）转轮为单级、立轴、混流可逆式转轮，叶片整体铸造、数控加工。转轮上冠、叶片和下环组合焊接。3号机和4号机的水泵水轮机上冠、叶片、下环材质均为铸造马氏体不锈钢制造，材料类型为ZG0 Cr13Ni4Mo（对应美标ASTM A743 CA6 NM），为保证制造（包括焊接、打磨）操作空间，转轮下环分内环、外环，转轮两次装焊、焊后整体退火。

机组额定水头295 m，额定转速300 r/min，额定出力和额定入力分别为300 MW、320 MW。引水系统采用1洞2机的布置方式，尾水系统采用1洞1机的布置方式，3号机、4号机共用2号引水管道。2010年9月、10月，3号机、4号机相继投产发电，转轮投产运行8年，期间检修均对转轮叶片进行检查，未发现裂纹情况。2018年3月机组C修期间，发现3号机和4号机均发生转轮叶片裂纹缺陷，其中包含贯穿性裂纹。

2.2 3号机、4号机转轮裂纹情况统计

3号机组转轮 PT 探伤检查发现，1、2、3、4、5、8号转轮叶片共存在15条裂纹，裂纹总长度1950 mm。其中3处为贯穿性裂纹，其中1号叶片进水边，出现最长裂纹，长350 mm，由正面延伸至背面，属于贯穿性裂纹；其他裂纹扩展方向各异，裂纹外部形态呈“蚯蚓状”，形态没有规律性，裂纹集中出现在叶片进出水边与上冠下环的连接焊缝和焊接热影响区，并且属于探伤检测的盲区。

2018年3月9日至11日，4号机组C修期间对转轮 PT 探伤发现，1、3、4、5、6、8、9 号叶片共存在 6条非浅表性裂纹，总长度845 mm，其中1处为贯穿性裂纹。其中5号叶片出现最长裂纹，长230 mm，为V型裂纹。

关于3号机、4号机裂纹情况如表1、表2所示，安装状态下转轮裂纹俯视示意图如图1，裂纹主要集中在叶片与上冠焊缝进出水边处。其中3号机4号叶片裂纹探伤情况、刨开后情况和4号机5号叶片裂纹情况如图2、图3、图4所示。

表1 3号机组叶片裂纹情况统计表

图1 3号机组裂纹分布俯视示意图

2.3 机组运行情况

3、4号机组从2010年投产截至2017年，每年发电小时数、抽水小时数逐年累加，从2014年开始黑麋峰公司机组在稳定电网负荷需求中承担重要作用，并且运行情况稳定。3号机、4号机总运行时间分别为10726 h、9998 h，总启停次数分别为2302次、1974次，3号机运行时间、启停次数均高于4号机。3号机、4号机历年运行时间和机组启停次数统计如图5、图6。

表2 4号机组叶片裂纹情况统计表

图2 3号机4号叶片裂纹探伤情况

图3 3号机4号叶片裂纹刨开后情况

图4 4号机5号叶片贯穿性裂纹探伤情况

图5 3号机、4号机运行时间统计图

图6 3号机、4号机启停次数统计表

2.4 转轮水力分析

黑麋峰电站属于300 m水头段中大容量抽水蓄能电站。东电为黑麋峰电站机组的主承包方，法国ALSTOM公司为技术支持方。黑麋峰电站的水泵水轮机水力模型由ALSTOM公司研发。机组运行过程中压力脉动特性和空化空蚀特性严重影响机组稳定性能，ALSTOM公司根据试验结果判断黑麋峰机组不会发生真机空蚀，各种压力脉动情况中，转轮与导叶间空载工况压力脉动数值较高，但符合国内300～600 m水头段抽水蓄能电站水泵水轮机的部分主要性能指标。

但黑麋峰电站水泵水轮机水力模型在整个水轮机运行范围内均出现S特性，为避免S特性对机组并网的风险，ALSTOM公司在真机实际运行中，增设6片非同步导叶，消除运行范围内的S特性，完全解决空载并网的问题。针对黑麋峰机组在水轮机工况全水头段开机过程中需要投入非同步导叶的现状，不排除机组过渡工况水力因素诱发转轮裂纹的可能性。

2.5 转轮材料结构分析

东电负责黑麋峰电站3号机、4号机转轮制造，转轮材料，具有优良的抗锈蚀、抗泥沙磨损、抗空蚀性能，具有较为平衡的机械性能，以及优良的焊接性能。转轮疲劳特性直接影响机组长期稳定运行，为此，东电综合考虑机组水轮机运行、启停机和飞逸工况，针对转轮叶片靠近上冠，以及转轮靠近下环的位置进行各种工况的损伤计算，最终得到转轮的设计总寿命为139年，从结构疲劳设计的角度，转轮的计算寿命能够满足50年运行要求。

2.6 叶片裂纹特性

由于转轮裂纹集中出现在叶片与上冠和下环进出水边的焊缝区和焊接热应力影响区，现场对转轮硬度进行测试，发现焊缝裂纹处硬度值高于焊缝或母材的标准值或处于其上限值，转轮母材在经正火和两次回火后，其正常组织为回火马氏体+逆变奥氏体+铁素体，组织表面硬度正常值为HB221-HB286，转轮焊缝经焊后去应力退火后，其硬度应在HB300以下，硬度值可以反映材料的组织形态。从表中数据可以看出，转轮裂纹位置的硬度值为HB276-HB312，母材正常硬度值为HB220-HB。东电认为黑麋峰机组转轮在铲磨过程中，PT检查焊缝存在表面点状缺陷（缺肉、气孔和夹渣等），按工艺规范采用马氏体补焊，但补焊过程中未严格按照焊接补焊工艺进行，焊前未充分预热或焊后未充分后热，造成焊缝冷却速度快，因此补焊处存在脆硬组织-淬火马氏体，造成补焊位置硬度比周围焊缝硬度值高，形成局部小区域的高硬度点。这些高硬度点在外部载荷的交变作用一定时间后，转变为裂纹源，多年时间累积后逐渐扩展成裂纹源，对照3号机和4号机实际运行小时数和机组启停次数数据统计，3号机组比4号机组服役时间长，同时裂纹数量和总长度均高于4号机，与实际情况相符。

2.7 裂纹成因结论

综合水力、材料和结构强度设计和裂纹特性方面的多种因素，黑麋峰电站转轮裂纹缺陷原因有以下结论：发现黑麋峰电站转轮本体材料选择和结构强度设计并不是转轮裂纹产生的直接原因，根本原因为转轮补焊工艺不规范导致焊缝位置存在局部脆硬组织，受到水泵水轮机低水头段开机过程中非同步导叶投入产生的水力影响，机组开机过渡过程复杂，综合导致裂纹扩展，形成叶片多个部位缺陷型裂纹。

3 转轮裂纹修复

转轮修复工艺控制主要包括：缺陷确认、缺陷清理、焊接清理、加热、焊接、焊材选择、焊接余量及打磨探伤。具体内容如下：

3.1 缺陷确认、清理及控温

对转轮叶片抽水进水边500 mm长度范围内的焊缝及热影响区，按照ASME标准进行MT探伤；对发现裂纹的位置，按ASME标准进行UT探伤，确认缺陷深度。

焊前，将待焊区域及附近50 mm的油污、水分等杂质和异物清理干净；焊接过程中，在焊接覆盖前一道熔敷金属以前，应清除所有焊渣，同时焊缝及附近的母材应采用磨、刷或用其他合适的方法清理干净。

预热：施焊前，用火焰加热方式预热待焊区域及邻近区域，加热应均匀，使待焊区域及其邻近75 mm范围内≥100℃。温度测量宜采用远红外测温仪进行检测，测量采用非接触方式，远红外测温仪测点距离测量坡口或部位约50 mm。保温温度：从预热焊接开始直至焊接结束，焊缝温度不得低于80℃。缓冷处理：焊接修复转轮缺陷后，采用保温毯覆盖缓冷。

3.2 裂纹气刨及焊接

3.2.1 贯穿性裂纹

针对贯穿性裂纹，使用火焰加热方式对待处理的裂纹部位进行预热，预热温度≥60℃；根据实际空间位置，焊工确认裂纹清理面，按图清理裂纹，并预制焊接坡口，应在距离裂纹尖端10 mm位置标记并设止裂孔，然后从裂纹尖端起进行碳弧气刨，气刨后打磨去除渗碳层，直至打磨出金属光泽。

焊接正面坡口，要求多层多道焊；背面清根，使用碳弧气刨清根，打磨见金属光泽；清根表面的探伤，对清根表面进行PT探伤，确认裂纹清理干净；焊接背面坡口，要求多层多道焊，焊接过程中，除打底层外，必须用锤击方法进行焊接残余应力的释放。3.2.2 非贯穿性裂纹

针对非贯穿性裂纹，使用火焰加热方式对待处理的裂纹部位进行加热，预热温度≥60℃；采用旋转锉打磨清除裂纹（优先使用旋转锉，深度大于10 mm时可采用碳弧气刨清除）。当采用碳弧气刨清除缺陷，应在距离裂纹尖端10 mm位置标记并设止裂孔，然后从裂纹尖端起进行碳弧气刨，气刨后打磨去除渗碳层，直至打磨出金属光泽；然后按照ASME标准进行MT或PT探伤，确认缺陷清理干净。焊接规范按照东电提供焊接规范手册执行。焊接采用手工电弧焊或熔化极气体保护焊焊接。

要求深度超过5 mm，进行多层多道焊，除打底层外，必须用锤击方法进行焊接残余应力的释放。

焊接时，焊缝表面应高于母材表面3 mm，作为打磨余量。焊接材料的型号及规格见表3、表4。

表3 焊接材料（手工电弧焊）

表4 焊接材料（熔化极气体保护焊）

3.3 焊后打磨和探伤

粗磨焊缝表面，特别注意过渡区域的打磨和防止打磨缩颈；对缺陷深度大于10 mm的部位，按ASME标准进行UT检查；对叶片厚度、焊角R尺寸等进行检测，确定精磨余量；焊缝UT探伤合格后精磨和抛光焊缝表面；对焊缝及相关打磨区域进行按ASME标准PT检查。

4 结论

本文根据黑麋峰电站转轮成因分析及修复过程，提出以下建议：对于新建电站要加大力度复核和不断严谨转轮焊接制造工艺要求，严格控制补焊工艺要求，记录修复过程参数，尤其是控制焊前焊后温度时间，并对补焊位置进行硬度测试；对于已投产电站，记录机组振摆数据，根据实际各种工况的稳定性和不稳定性特征，划分机组可以长期运行区、允许短时运行区、避振运行区等运行范围，尽可能在水轮机最优工况下运行，尽量避免低水头下的低负荷运行，密切关注水泵工况最大和最小扬程附近机组各项稳定性能指标值。在检修工作中，安排定期进行MT/PT检查、UT检查（建议1年1次），检查转轮过流面表面状况。