水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理

水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理

吴浩

（江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213300）

摘要：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。

关键词：水泵水轮机；转轮裂纹；成因；处理

1水泵水轮机转轮裂纹成因分析

1.1转轮形状变形

转轮的出水叶片相较于整个转轮的其他部分，是整个转轮的强度最低的位置，同时该位置由于叶片出水时会收到水面的张力等方面的因素，导致该出是整个转轮结构中应力最为集中的区域，同时该处还会受到水流长时间的侵蚀，由于长时间水流侵蚀的原因还会导致该处的厚度减少，导致该处的应力结构发生变化。

1.2振动方面

水轮机转轮在运行中，因为水力振动原因也会导致焊缝疲劳损伤产生裂纹。产生水力振动主要有以下因素：水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。当机组在非设计工况或过渡工况运行时，通过水轮机的水流状况恶化，水力振动较为明显，造成的破坏也相对加剧。

1.3负载超出材料最大负荷

负载超出额定的最大负载也是导致转轮出现裂纹的重要原因，这是由于设计师在进行转路基设计的时候没有充分地考虑到负载增大的问题，当出现特殊情况时，应力超出了机器的最大负载，进而导致转轮的叶片受损。当机组长时间处于超出额定工作频率的情况时，便会由于超出转轮叶片等结构建设材料的疲劳极限而降低叶片的耐压能力，进而导致叶片出现裂纹。

2水泵水轮机转轮裂纹的处理措施

2.1提高轮叶质量

轮叶质量的好坏，将直接决定转轮使用时间的长短。因此，必须要注重对轮叶生产品质的提升。首先，应注重样板的设计与制作。水轮机中的轮叶结构比较复杂，任何一点的误差，都会造成轮叶形状的改变。在挑选样板时，可以优先选择磨损程度较轻的转轮，这是因为磨损程度越轻，则代表该轮叶越符合水轮机的运行需要。其次，必须要严格按照样板进行制作。在制作轮叶时，剖面上的一些曲线会出现偏差，此时就需要对照样板适当地进行打磨。

2.2缺陷确认、清理及控温

对转轮叶片抽水进水边500mm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50mm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75mm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50mm。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。

2.3进行相关构件结构改进

在针对不同的实际情况时，应该对准轮的叶片数量，页面的厚度等各方面数据进行调整，进而最大成度地提升整个构件的稳定性。如在进行制造的过程中增大下环的厚度可以降低应力集中的程度，提升转轮的效率。在一些重要的构件相连处采取降两个构件的连接方式进行改进提升整体的稳定性。在转轮的尾部接管出增加一个通风管，减小机组内外的气压差，减少转轮叶的裂纹长度。

2.4裂纹气刨及焊接

2.4.1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10mm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。

2.4.2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10mm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10mm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5mm，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。

2.4.3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10mm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。

2.5CFD分析

利用CFD分析技术，分析研究治理改进方案对转轮特性的影响。CFD分析的水轮机模型包括：固定导叶-活动导叶（双列叶栅）、转轮。固定导叶、活动导叶、转轮的模型采用三维CAD软件生成。CFD计算采用完整的模型。双列叶栅的计算网格从蜗壳出口开始，一直到活动导叶和转轮之间的无叶区结束。对单个流道（包含一个固定导叶和一个活动导叶）进行了计算，网格数量为462，500节点。为了考虑合适的来流条件，计算区域包括了一部分蜗壳区域。在进口边界采用了指定流速（均布）和预计的流动角度（根据蜗壳的流动分析得到）边界条件。对于不同的工况，双列叶栅的网格均需重新生成。

2.6三角块装焊

（1）将三角补强块装配到叶片指定位置，并用样板检查三角块与叶片型线位置是否合格，合格后方可进行定位焊及加强板焊接。（2）进行三角块焊接。在焊接过程中严密监视下止漏环变形量，若变形量超过1.5mm时停止焊接，经现场工程师调整焊接顺序方可继续施焊。（3）打磨焊缝，并按ASME标准对焊缝及热影响区进行UT检查，表面进行PT检查。（4）进行叶片型线检查及表面抛光处理。通过对转轮叶片进行修型处理，使叶片出水边与下环的夹角改变，出水边厚度减小，改变了叶片出水边应力分布，减小了叶片在运行过程中幅度，对机组防止裂纹产生有一定的影响。

2.7避振运行

机组在进行运行的过程中产生的震动也是导致水轮机受损的重要原因，水轮机正常进行运行时是工作在一定的工作区域中的，但是由于工作中多个水轮机之间产生了共振就会导致水轮机的工作范围发生变化，进而影响了水轮机工作的质量。因而在进行水轮机的使用的过程中应该采取间歇性使用的方式，最大程度减少共振造成的影响。

结语

水轮机叶片出现问题将会直接影响水轮机的工作效率，因而为了有效提升水轮机的工作效率，应该积极进行水轮机的维护工作，进而最大程度地提升水电站所带来的经济效益。

参考文献：

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[2]李胜首.浅谈水轮机转轮裂纹的原因及预防措施[J].低碳世界，2017（36）：83-84.

[3]张丽霞.混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究[D].北京：清华大学，2010.