孙伟岩

(太平湾发电厂 辽宁 丹东 118000)

太平湾电站水轮机汽蚀、裂纹产生的原因分析及处理

孙伟岩

(太平湾发电厂 辽宁 丹东 118000)

为了保障我厂(太平湾发电厂)电力的发展和设备的安全运行，提高焊接施工质量，结合太平湾电站历年来对水轮机变组检修当中发现的汽蚀与裂纹的缺陷程度，重点对太平湾电站水轮机汽蚀和裂纹产生的原因进行了综合分析，并详细阐述了汽蚀与裂纹焊补前的处理、设备材料准备、焊接工艺、气刨处理工艺过程、探伤和质量检验等处理办法及个人的观点建议。

水轮机;气蚀;裂纹;分析;焊补工艺; 质量检修

概述

太平湾发电站总装有4台机组，总装机容量为190MW (4X47.5 MW)，水轮机型号为轴流转浆式，电站为低水头河床式电站。首台机组已于1985年12月15日投产运行发电,后三台机分别于1986年11月18日，12月28日和1987年10月28日陆续投产运行。1989 年2月份对四号机变组进行首次A级检修，检查发现叶片汽蚀轻微，汽蚀平均深度2mm, 汽蚀最大深度8mm。随后每四年分别对各台机组进行A级检修，在检修时，同时检查发现转轮叶片背面以及背面与下环结合处均有不同程度的汽蚀、裂纹产生；尾水管里衬汽蚀严重。为保证我厂机组优质高效的安全正常运行，我们必须要严肃重视汽蚀、裂纹的产生，及汽蚀与裂纹的防治与焊补等措施。

一、水轮机汽蚀、裂纹产生的原因分析

(一)汽蚀的产生成因分析

一般自然水中含有一定量的空气。水流在水轮机中运动，存在某些高速低压区，当该区域水流压力降低到当时水温下的汽化压力Po时，则产生大量气泡。这些气泡被带到相对的低压高速区时开始被压缩、凝聚以致迅速破裂。气泡破裂形成高速射流，当气泡半径缩小到原半径的1/50时，该射流速度接近水中音速。因而产生局部的巨大冲击力(即所谓的水锤压力，可达数百甚至上千个大气压)。然后被强烈碰撞的水质点又急剧的向相反方向扩散，从而造成该处气泡压力又急剧降低(亦称负水锤压力)。形成周期性压力脉动。这种微观射流冲击伴随着水流质点对发生汽蚀部位的金属表面不断的压入和吸出，使该部位金属表面发生微观塑变和材料疲劳。造成金属结晶颗粒脱落。当汽蚀反复作用在同一部位时，就会造成金属表面变暗、粗糙，出现蜂窝以致穿孔或断裂等现象。这是造成水轮机汽蚀破坏的主要原因。

(二)转轮叶片裂纹产生原因技术分析

太平湾电站水轮机转轮的裂纹多产生于叶片进水边头部、背面及叶片与上冠连结处等区域，且在转轮运行多年以后才产生，应是疲劳所致裂纹。检测区气孔、缩孔多，大多来自于铸造方面的原因。有些裂纹产生于气孔、缩孔处并向两侧延伸发展。

金属材料的疲劳破坏有一个材料在交变载荷作用下的逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直至最后的破坏过程。据统计，约有50-90%的机械结构破坏是由疲劳损伤引起的。疲劳破坏主要可分为两个阶段，即裂纹形成阶段(达到可检裂纹长度0.25-1mm)和裂纹扩展阶段。金属材料受载超过屈服极限后，将产生塑性变形，试验证明了重复的塑性应变是形成疲劳裂纹的基本原因。在工作载荷的作用下，应力集中部位进入塑性状态，从而产生疲劳裂纹。太平湾电站机组转轮大致如此。

二、水轮机汽蚀、裂纹的处理

(一)水轮机汽蚀处理

(1)汽蚀处理技术要求

1)补焊中严格按照施焊工艺，防止应力集中。采用对称、轮流，分块焊的工艺。尾水管里衬补焊面积较大也应采用对称，分块焊的方法。每块面积不可过大，避免连续施焊；

2)为消除焊接应力，除第一道焊波和退火层外，其余焊波均应进行锤击。每焊完一道焊波(暗红色)马上锤击，以松弛焊接收缩应力；

3)对较大汽蚀补焊面积，每一层的焊波接头及层与层之间焊波接头应错开；

4)施焊中，应采用小电流短弧焊施焊工艺，防止因热影响区扩大；

5)焊条使用前应按规定烘干

6)汽蚀补焊最后一层应高出原型表面1mm—2mm为宜，以作为磨削余量

(2)汽蚀处理质量要求

1)转轮叶片型线检查。按汽蚀破坏最轻的叶片制作型线样板，用该样板检查汽蚀处理后的叶片型线。叶片表面与样板间的间隙应控制在2mm—3mm之间；

2)打磨的光滑度应尽量提高，应达到12.5。因为表面处理光滑度越高，越不容易产生汽蚀；

3)经打磨处理后的表面不允许有凹凸不平及深度超过0.50mm，长度大于50mm的沟槽。局部的凹凸细小的沟槽多是汽蚀破坏和加剧的诱因；

4)汽蚀处理区域的边沿与原母材过渡应光滑过渡，保持原型线；

5)原尾水管壁内焊疤必须全部磨平。

(二)水轮机裂纹的处理

(1)刨前在裂纹的两端(向外延伸10～20mm )钻止裂孔.直径为φ6—φ8 mm。在实际的钻止裂孔过程中，由于现场的工作位置以及叶片材质硬度大于钻头的硬度，用钻头打止裂孔进度缓慢，难度很大。我们采取了用钻头在打孔位置先打出一个定位点，然后使用高速气砂轮机带动的合金磨头，在定位点磨出一个止裂孔，此方法速度快，效果好，使叶片裂纹的处理时间得到大大的提高。

(2)裂纹清理用碳弧气刨，刨前在裂纹附近预热50-100℃。可用氧-乙炔焰加热，预热范围为裂纹周围200mm。裂纹应清理干净，表面酸洗(用30%硫酸或5%硝酸)，进行宏观检查，至肉眼不见裂纹为止(可用放大镜)，也可用着色探伤法检查。

(3)用碳弧气刨刨开坡口，为防止过热，应间断进行，刨后用砂轮机打出金属光泽。

(4)坡口型式应为K型双面裂纹和单边V型(单面裂纹处)。

(5)焊前预热： 用氧—乙炔焰在裂纹背面沿裂纹方向移动加热。温升至150℃后停止加热(可用点温计测)，保温4小时。注意坡口周围应有足够的预热范围。

(6)补焊工艺：

1)焊接材料(见下表)，用前应烘干。碱性低氢型焊条烘干温度一般采用300～430℃。酸性焊条烘干温度一般采用100～150℃。纤维素型焊条70～100℃。均需保温1～2h。烘干后的焊条应避免急冷以避免药皮开裂。

用途可选用的焊条牌号堆焊金属的主要化学成分汽蚀区磨损深处的打底焊J422、J507抗汽蚀层堆焊堆276、堆277A102、A1322Cr-BMn12、4Cr9Mo3VC-2．5%、Cr-27%Cr-18Ni9耐蚀又耐磨层堆焊特制焊条0Cr13NI6MoV

2)锤击消除应力，焊一层锤击一遍，可往复锤2～3次，锤击出麻点即可。

3)锤击温度：最好在温度高时锤击。

也可在冷却到200℃以下再锤击。但不可在200～500℃温度下锤击。

4)对于穿透性补焊区，底层不能锤击。焊缝的表面层均不能锤击。

5)若坡口深度大于20mm，应采用镶边焊，

6)对穿透性裂纹，先在正面焊2～3道焊波后，在背面用风铲(或碳弧气刨)清除坡口底部熔渣等，然后，在背面施焊，最后，正反轮番施焊。(见照片1，2)

7)多层焊时，每层焊缝的起弧和收尾要交错。根部几层用小直径焊条(Ф2.5～3.2mm)，尽量用小电流，短弧焊要保证焊透。

照片1

照片2

8)每道焊缝要层搭接上一焊道的1/3宽度以上。焊至表面时应注意防止咬边。

9)最后一道焊缝应为退火焊道，注意焊缝应高出周围表面，以保证打磨后无凹坑。

10)焊补后进行适当的保温之后，用砂轮将焊缝按叶面打磨光滑，将退火焊道磨掉，表面光洁度达▽3以上。

(7)探伤

1)先进行外观检查，焊缝和热影响区不应有裂纹和咬边。

2)用超声波探伤，焊缝内不得有裂缝夹渣、气孔、未焊透等缺陷，若有缺陷，须挖开后重新补焊。

三、结束语(几点建议)

(1)使用新工具。目前我们使用的国产风动砂轮机重量较重，个别狭窄部位(如上冠流道，叶片根部)一般砂轮机磨不到(现有的太小无法使用)，这些部位处理起来十分困难，工作效率低，检修质量难以保证。现有进口软轴砂轮机转速高，重量轻，可使用多种磨头，应考虑使用。

(2)在汽蚀处理表面涂刷环氧树脂、复合尼龙抗磨涂层，使用合金粉末喷焊等新技术已逐渐成熟，很多电厂使用已取得了较理想的效果，我们应积极探索学习，在我厂推广使用，争取一次处理长期收益，以减少汽蚀、裂纹处理的费用。

(3)加强检修技术人员的培训。特别是电焊工岗位技能的培训，保证焊补质量。

(4)成立专门的汽蚀与裂纹的处理质量管理小组。保证我厂机组优质高效的安全生产运行。

[1]太平湾发电厂生产技术部主编《太电机械设备检修工艺规程》

[2]太平湾发电厂生产技术部主编《太平湾电站设备手册》

[3]《水轮机检修》 袁蕊 田子勤主编.中国电力出版社