水轮机叶片裂纹的处理.doc

水轮机叶片检修处理中的几个问题
甘肃小三峡水电开发有限责任公司
[摘要]本文通过对甘肃小三峡水电开发有限责任公司所属的大峡水电站、小峡水电站水轮机叶片在制造、检修中出现的问题采取的相应的处理方法的回顾和总结，提出了水轮机叶片处理中的几点措施，以供大家参考、讨论。
[关键词]叶片处理问题

黄河大峡水电站是甘肃小三峡水电开发有限责任公司开发建设的第一个水电项目，电站总装机容量300MW（4台75MW的轴流转桨式机组），保证出力143MW，多年平均发电量14.65亿kW·h，工程总投资24.5434亿元，于1991年开工建设，1996年12月首台机组投产发电，1998年6月工程竣工。黄河小峡水电站是继大峡水电站完建之后开发建设的第二个水电项目。电站总装机容量230MW（4台57.5MW的轴流转桨式机组），多年平均发电量9.56亿kW·h，于2001年开工建设，2004年9月首台机组投产发电，2005年5月最后一台机组投产。
作为黄河上的水电站，在设计、制造初期就对叶片提出了较高的要求，大峡电站、小峡电站叶片均采用0Cr14Ni4Mo或0Cr14Ni6Mo的不锈钢材料，同时对制造加工也提出了较高的要求。通过大峡电站近十年的运行和检修，小峡电站设备制造验收，总结了以下经验。
1、水轮机叶片裂纹的处理
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。
裂纹产生的原因应力集中。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。一般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。
铸造缺陷及焊接缺陷。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。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。
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。运行上的原因，长期低负荷、超负荷或在振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。裂纹无损探伤检查在大修时对转轮进行无损探伤检查，及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现，但较细小的缺陷和内部的缺陷必须用无损探伤检查。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、金属磁记忆、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、超声波和金属磁记忆的方法进行无损检测。
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“草状回波”，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子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，建议采用低频探头(0.25万千赫兹)对铸钢转子进行超声波探伤，发现反射信号以后再用高频探头(0.5万千赫兹)进行定量。铸钢件超声波探伤衰减很大，探伤时只有满足底波与林状回波至少应有30分贝差时才能检测。
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。
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。
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