3号机组桨叶根部贯穿性裂纹处理

3号机组桨叶根部贯穿性裂纹处理

李文龙

大唐甘肃湟水河水电开发有限公司甘肃兰州730050

[摘要]水轮发电机桨叶是水轮发电机组中将水势能与动能转换为机械能的主要转换部件，对水轮发电机机组安全高效运行起着至关重要的作用。水轮发电机组的桨叶一旦出现故障将会引起机组震动异常、出力受限，严重时会出现桨叶断裂、脱落引起机组迫停，引发重大事故造成重大经济损失。本文从一起水轮机桨叶根部裂纹现象处理入手，对水轮发电机桨叶出现裂纹的原因结合现场情况进行分析，研究制定处理方案，成功完成桨叶根部裂纹的现场修复工作。处理完毕后期跟踪观察运行工况良好，具有推广和应用意义。

[关键词]水轮机桨叶裂纹分析处理

一、引言

大唐甘肃湟水河水电开发有限公司安装有3台同型号轴流转桨式水轮发电机组，水轮机转轮直径D1=2750mm。转轮由5片叶片和泄水锥组成，转轮和主轴采用法兰联接，转轮叶片与转轮体间由轮毂链接，大轴内设桨叶接力器。

2018年3月18日，3号发电机组C级检修中，在对水轮机转轮部分进行例行检查时发现，转轮3号叶片根部有130mm穿透性裂缝。根据现场检查的情况结合机组以往运行工况，对产生裂纹的原因进行分析，研究制定并实施了裂纹处理方案。处理完毕后根据分析结论对机组运行方式进行了相应调整，机组运行至今工况良好。

二、水轮机桨叶根部裂纹成因分析

机组全停渠道排空后人员进入3号发电机组流道内对所有过流部件进行了全面检查，对异常情况进行记录，检查分析情况如下：

1.空蚀作用影响：由于水轮发电机组运行时桨叶长期处于高速、高压水流冲击环境中，流体压力的剧烈变化引起严重的空蚀现象，长期作用叶片表面引起叶片表面疲劳破坏。

2.硬物、石块撞击影响：现场检查发现尾水锥管内有大量沙石滞留，机组快速门前有沙石丘，沙丘最高处已超过快速门门孔正下方的排沙洞顶部。据此推断前池排沙洞排沙能力不足导致沙石进入机组流道随高速水流撞击转轮叶片。

3.空腔引起的水流紊乱影响：采用检验锤敲击检验发现转轮室、尾水锥管、压力钢管器壁与浇筑混凝土之间均存在空腔现象，由于以上导流设施局部空腔引起不良流态，对转轮叶片形成不均匀、不规律的作用力。

三、裂纹处理方法

1.裂纹走向及深度判断：向原生产厂家咨询后，根据现场实际条件采用PT检测的方式对已发现裂纹及周边部位进行检测。

2.对转轮叶片进行清洗，去除可能会影响检测结果的表面表面杂质和油洉。

3.待清洗溶剂及表面水分完全干燥后，将着色渗透剂均匀喷涂于待检部位，使着色渗透剂润湿覆盖全部受检工件表面，在环境温度18℃条件下保持15分钟，保证渗透充分。

4.先用干燥、洁净的布依次擦拭去除多余的渗透剂，待大部分多余渗透剂被清除掉，再用蘸有清洗剂的干净布进行擦拭清洗。

5.在常温下干燥5-10分钟后，将显像剂摇动使其充分混和均匀后，均匀喷施在待检部位表面，用热风枪调制低温档吹干。

6.干燥10分钟后用记号笔对显示出的缺陷区域进行标记。

7.对裂纹部位进采用碳弧刨进行预处理：由于裂纹部位厚度超过80mm，为防止热量集中引起变形和裂纹扩展，作业全程采用炭弧气刨间断作业，并严格监视页面部位形变情况。

8.根部贯穿性裂纹刨口处理：由于根部较厚且为贯穿性裂纹，刨口处理成双“U”型结构。先在上部标记的位置采用碳弧刨进行刨挖，刨出一层后更换为下部对称位置进行刨挖处理，防止热量集中引起

变形，刨挖作业逐层、间隔进行，刨挖完毕后经测量上部深度达到8.5cm、长度18cm。采用砂轮机对刨开的缺口进行修磨，去除渗碳层和淬硬层（2～3mm）后再次进行PT检测确认裂纹缺陷已全部刨出。

9.采用角向抛光机对挖开坡口不规则，影响施焊的部位进行打磨修整处理。

10.用G367M焊接材料对刨挖部位进行施焊处理：

a正式施焊前用火焰对待焊部位及周边进行局部预热，加热温度控制在120℃-150℃（采用红外成像仪进行检测），防止施焊过程中局部温升过高引起裂纹。

b焊接电流控制在100~130A之间；焊接引弧时，不得任意进行引弧，需在施焊部位引弧，避免对母材造成损坏。

C贯穿处双“U”型坡口在一侧焊接后，从另一侧清根，采用PT检测合格后方可继续施焊。两侧逐层对称焊接，防止变形。最后一道焊缝要高出坡口表面3～4mm，最后用砂轮机打磨成与母材平齐，使平滑过渡。

d每一层焊接完毕后，将焊渣清理干净，采用手锤对焊道进行层间锤击（打底层与盖面层不进行锤击），发现缺陷必须清理干净方可继续施焊。接头要错开，填满弧坑避免产生裂纹。

e采用手工电弧焊（ARC500型直流焊机）焊接，在施焊过程中控制层间温度不超过150°。严格控制热输入，采用小规范焊接，全程做好变形观测，发现异常形变立即停止焊接。

f焊后加热到200～250°采用保温棉覆盖进行保温缓冷处理，防止温度变化过快引起裂纹。

g焊接及后热处理工作完毕后，采用PT进行再次检测，确认无焊接缺陷或应力裂纹后即为合格。

11.焊后处理：

a对高出的焊点进行打磨，使修复部位平滑过渡，尽量恢复桨叶表面原设计流线。

b由于检修现场不具备进行静、动平衡试验检查的条件。咨询厂家技术人员后，确定可在机组修后初始运行中加强震动监测代替。

四、裂纹成因应对方法

1.针对前池排沙洞排量不足引起前池沙石淤积严重，石头、泥沙进入流道的问题，现根据不同时期来水带沙情况适当调节排沙洞排污次数及排沙时长。

2.充分利用拦污栅清污机组全停间隔，排空引水渠道对前池进行低水位拉沙作业，防止沉沙大量堆积涌入机组流道，威胁机组安全运行。

3.利用机组大修机会，对机组转轮室、尾水锥管、压力钢管内空腔部位进行化学灌浆处理。

五、经验总结

湟水河公司此次桨叶根部裂纹处理完毕后，投入运行后运转情况良好，各部位震动、摆渡数据均维持在良好的范围内，因此使用的处理方法客观有效，可供其他有类似缺陷问题的水电行业同仁借鉴采用。在借鉴使用的过程中还应该注意以下事项：

1.在对处理后呈贯穿双U型坡口进行施焊作业时，由于被焊部位母材较厚，施焊时必须时刻注意监视被焊部位的变形情况。施焊时不可单边持续大量焊接，防止热输入过大造成翘曲变形，最好采用双边对称施焊方法。

2.焊接过程层间及焊接完毕后及时敲击释放残余应力，同时必须采取必要的缓冷措施，防止热应力产生表面或内部断裂。

3.处理完毕后最好进行静、动平衡试验检查，如不具备试验条件则在机组投入运行后必须加强对机组各部位震动、摆渡的监控，发现异常及时停机检查处理，防止隐藏的内部缺陷引发事故。

参考文献：

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