转轮叶片裂纹分析，检测及处理

    王　磊

    摘要：转轮是水轮机核心部件，转轮的叶片出现裂纹会严重威胁水电厂的安全运行。通过对水轮机转轮叶片进行有限元计算分析，得出应力过于集中通常是叶片裂纹产生的主要原因，此外，叶片也存在设计、制造、运行方面的问题，为此，介绍了水轮机转轮叶片裂纹无损检测的常用方法和一般工艺。

    关键词：水轮机；转轮叶片；应力；有限元；裂纹；无损检测

    引言

    水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失，因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。

    1 转轮裂纹及现象

    小浪底某台机组小修期间，发现转轮的13个叶片出水边接近上冠处有11个叶片出现裂纹(后经着色探伤，确定另两个叶片也有轻微裂纹)，裂纹长度 100～400mm不等，大部分为贯穿(端面)型裂纹，所有裂纹形状相似，起始点在叶片负压面与出水端面交线上，距上冠约50mm，裂纹起始端与叶片出水边垂直，后端以不规则抛物线形向叶片中心延伸，其中有一个叶片同时出现沿焊缝方向的裂纹。近期景洪1号机组也发现出水边靠近上冠部位以及靠近下环部位的裂纹，而且最近投产的大水电机组经常在转轮这些位置出现裂纹。

    2 裂纹产生原因分析

    2.1 应力集中

    采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上， 按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边分布。转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内。

    2.2铸造缺陷及焊接缺陷

    叶片原材料经加热模压，其中铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。转轮上冠、下环与叶片均为马氏体不锈钢材料，焊条则是奥氏体不锈钢材料。国内不少专家认为，这是异种钢焊接，导致内部应力很大。目前都采取焊后热处理消除应力，但难免应力消除不彻底。铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现裂纹。

    2.3 原设计问题

    转轮叶片与上冠、下环间的过渡R角设计较小，引起应力集中。

    2.4 运行上的原因

    长期低负荷、超负荷或在震动区运行会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧以及引水系统水击振动形成共振等原因。

    3 裂纹无损检测

    常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、射线检测等。裂纹易于产生的应力集中部位，如叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等部位，由于透照布置比较困难，不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机转轮叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点，一般应采用渗透、磁粉、超声波的方法进行无损检测。

    3.1 超声波检测

    超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高，适宜检验较大厚度的工件，但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材，由于粗大晶粒的晶界会反射声波，在屏幕上出现大量的“草状波”，容易与缺陷波混淆，影响检测可靠性，限制了超声波探伤方法在铸钢制水轮机转轮叶片上无损检测的应用。探测频率越高，杂波就越显著，为了减小晶界反射波的影响，我们采用了低频探头(2MHz)对铸钢转轮进行超声波探伤，发现反射信号以后再用高频探头(4MHz)进行定量，实践证明这是可行的。

    3.2 渗透探伤

    渗透探伤方法简单易行，显示直观，适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检查。但是，渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中，再利用吸附能力强的白色显像剂，将渗透液吸出来以显示缺陷的，因此，只能检查表面开口的缺陷。

    3.3 磁粉探伤

    磁粉探伤方法是利用工件磁化后，在材料中的不连续部位(包括缺陷造成的不连续性和结构、形状、材质等原因造成的不连续性)，磁力线会发生畸变，部分磁力线有可能逸出材料表面形成漏磁场，这时在工件上撒上磁粉，漏磁场就会吸附磁粉，形成与缺陷形状相近的磁粉堆积，从而显示缺陷。因此，磁粉探伤适用于铁磁材料探伤，可以检出表面和近表面缺陷，但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。

    综上所述，为了保证水电机组的安全运行，考虑到各种探伤的优点和局限性，水轮机转子应进行如下检验：对叶片清理后进行宏观检查；对可以磁化的部位进行磁粉探伤，不能磁化的部位进行渗透探伤，近来金属磁记忆和涡流探伤技术日渐成熟，也可以用来进行表面探伤；对叶片进水边正面(压力分布面)靠近上冠处、叶片出水边正面的中部、叶片出水边背面靠近上冠处、叶片与下环连接区等应力集中部位和表面发现缺陷的部位进行超声波探伤。检验中发现的裂纹等危险性缺陷应进行处理。

    4 裂纹处理

    4.1 阻止裂纹延伸

    通常裂纹的两端尾部内应力接近材料的极限强度，在外力或热应力的影响下还会继续延伸。因此，必须在裂纹两端打止裂孔。

    4.2 裂纹清理及开坡口

    裂纹铲除常用两种方法：风铲和炭弧气刨。

    坡口的形式应遵守焊接工艺的一般要求，主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。

    4.3 补焊工艺

    叶片补焊可采用两种方法，一是同种材料热焊，另一种是奥氏体焊条进行冷焊。

    焊后的打磨处理并进行无损探伤检查。最后出水边补焊三角体，降低该点的设计应力，修整出水边，消除由卡门涡引起的共振。

    结论及建议

    近年来，水轮机转轮的叶片裂纹频繁发生，严重威胁水电厂的安全经济运行，有必要在机组小修和大修时对应力集中等易于产生裂纹的部位进行无损探伤检查，对发现的缺陷及时正确处理，把事故消灭在萌芽状态，保证机组的安全运行。

    参考文献

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