水轮机转轮裂纹修复研究与探索

水轮机转轮裂纹修复研究与探索

徐开民

国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂

四川省 都江堰市 611830

摘要：水力发电工程的发展一直与水轮机的使用密不可分，水轮机在水利工程中起到了极为关键的作用。水轮机转轮裂纹是转轮机中较为严重的问题之一，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，也为发电厂的正常经营带来了经济损失。本文对水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施展开了研究，以期能够为相关从业人员提供一定参考与借鉴。

关键词：水轮机；转轮叶片裂纹；产生原因；解决措施

一、水轮机转轮叶片裂纹产生原因

1.受力分析

混流式水轮机与转桨式水轮机不同，其叶片是由上冠和下环固定，无法根据水流和工作情况的变化进行调节，需要在设计好的工作程序中运行，如不设计工作情况则容易破坏无撞击进口和反向出口的最佳条件，水流方向和流量改变，容易在叶片出水处和末尾水管内部产生移动旋涡，旋涡轮流出现产生的交变力，交变力对于叶片冲击产生的频率时会产生共振效应，长时间的强烈震动最终导致叶片裂纹。

2.超负荷工作

水电站工作强度过大，为了提升工作效率使得水轮机超出正常工作效率范围，转轮承受应力时间久了就会超出本身所能承受的荷载，这对叶片是一种损伤，也存在着安全隐患。水轮机在设计时对其应用环境实地了解较少，不同地域水流情况并不相同，叶片在承受水的应力时会发生变化，叶片最大受力点在出水处和下环之间的连接部分，连接部分的受力比较薄弱，长期的压力冲击会导致叶片开裂。在使用过程中水轮机难免会遇到操作不符合流程的问题，有时会导致受损，现代焊接技术质量难以承受长期水流冲击，在发生轻微变形时会产生气缝。水轮机生产制作过程中的一些不精密操作也是导致叶片在工作中面对高强度工作而产生裂缝的原因之一，零部件衔接不够精确，在使用时受水流冲击作用会产生晃动，长久使用整体运行状态不稳固导致产生裂纹。

二、预防水轮机叶片裂纹生成的措施

1.确保正确选型

水轮机型选择要根据水电站的实际情况，将可能导致叶片开裂的原因进行分析比对，对吸出高度、额定出力、额定转速等参数综合计算，最终选择适合机型，正确选择将增加其使用寿命和稳定运营时间。前文所提，在水力的作用下叶片振动频率有可能和涡列频率产生共振，在使用过程中造成叶片超出负荷的情况。

2.水轮机的质量严格监控

避免水轮机转轮叶片在长时间、高强度的使用过程中出现故障和损伤，验收安装时要对其质量有严格把控。明确责任制度，零部件加工、组装、运行要设置专业专门人员负责监控。后期安装使用中明确按照其使用说明操作，避免出现因操作不当引发损坏，整体检测合格后安装焊接完成时对焊接处做退火热处理。试运行中要多次检查，发现问题及时更换，如存在不可修复缺陷坚决不能投入使用，对于精密配件的要求要仔细检查，确保没有加工过程中本身自带损伤和其他情况。

3.优化水轮机的设计方案和制作过程

水轮机设计和制造过程中优化减少压力脉动的生成能够有效提升其工作效率，对于刚度和静强度要采取科学设计，加强水轮机的稳定性根据实际情况改善共振率的产生。水轮机转轮叶片应采取相对较好的制造材料才能提升整体质量改善容易产生裂纹的状况，水流的冲击是产生裂纹的主要情况，参考科学的流体力学设计以增强对流体受力的应对。为减少运行时叶片出现裂纹，在设计时应尽量增加转轮刚度和强度，降低叶片的平均应力，并提高叶片出水边的刚度，适当增加叶片与上冠下环缝圆弧过渡半径，同时采取各种措施避开共振，避免裂纹产生。^[1]

4.采取避震措施

动应力和静应力的产生以及水轮机转轮叶片在高强度的工作中产生的震动效果都是导致叶片裂纹的外力作用。只有稳定的工作状态才能防治裂纹出现和加大，根据实际情况合理改变其工作状态，对水轮机组进行固定或避免超负荷长时间运转，采用专业的震动检测设备对水轮机组的工作做出监控，有效做到对存在的问题做到监测，及时处理可能出现的问题，如发生损伤第一时间发现、检查、修复或更换。对水轮机转轮叶片的受力因素进行分析研究可能导致叶片产生的裂纹，从根源上了解问题产生的原因，制定相应科学合理的解决方案。

三、水轮机转轮叶片裂纹的具体修复方案

1.叶片（进、出水边）裂纹的修复

叶片（进、出水边）裂纹的修复方案用抗气蚀、抗磨损性能较好焊条进行堆焊修复，方法如下：（1）使用角磨机或风铣刀对叶片出水边贯穿性裂纹开V型坡口（进水边侧贯穿性裂纹可开X型坡口），裂纹周围打磨露出金属光泽，并采用PT检查是否清理干净。（2）叶片修复焊接前在探测到裂纹尽头处打一截止孔，防止裂纹增大或产生其他裂纹。（3）在V型坡口背面随型垫3~5mm不锈钢板，点焊固定，使用焊条填充V型坡口，逐渐填平坡口，层间应锤击，消除应力；第一层及最后一层不锤击。焊接过程中应控制焊接速度，分散进行，尽量减小焊接变形。

^[2]

2.叶片（进、出水边）及流道磨蚀的修复

使用角磨机或风铣刀对磨蚀部位及其周围打磨露出金属光泽，并采用PT检查是否清理干净。按照实际加工的补材形状制作硬纸样板，用样板在叶片上划裁边线，通过气刨等进行裁边，裁边部位打磨露出金属光泽。实际操作中对比所有叶片磨损、气蚀情况，采取磨损、气蚀较轻的叶片翼型制作硬纸样板。使用焊条铺焊，层间应锤击，消除应力；第一层及最后一层不锤击。焊接过程中应控制焊接速度，分散进行，尽量减小焊接变形。最后根据叶片出水边磨薄的实际情况确定后续处理方案。

3.焊接工艺

焊前清理待焊区域，彻底清除水、油及锈等对焊接有害的杂质。焊接前，采用汽割对待焊区域进行预热，预热温度不低于80℃。焊接方法：熔化极惰性气体保护焊；焊接材料：φ1.6mm，13-5不锈钢焊丝；保护气体：95%Ar+5%CO2；焊接位置：横焊；电源极性：直流反接；焊接工艺参数：焊接电流：110～160A；焊接电压：20～24V；焊接速度：200～400mm/min；焊接时，分区域跳焊（每个区域约30mm×30mm），尽可能分散热量。除底层及表层外逐层锤击，打至焊缝表面屈服为止；焊接时尽可能采用小规范，短弧操作；道与道、层与层之间应错开至少20mm，并确保熔合良好。接头处如有异物时，必须使用角向砂轮机打磨清理，操作时注意填满弧坑；多处补焊区域可交替焊接完成，层间温度控制在260℃以下。

4.修磨

焊接完成后按样板对叶片进行修整打磨。根据转轮木模图截面半截样板进行正、背面修整打磨，使型线符合设计图纸要求，叶片表面粗糙度为Ra1.6。

5.热处理

流道和叶片焊接修复后叶片进行局部退火，用加热带加热至590℃±10℃，保温1.5h，然后冷却至室温。焊后转轮放置在大气中自然释放应力。

6.验收检查

修磨后按设计图纸要求对修理后的叶片及其他叶片进行PT检查。按设计图纸要求进行叶片开口度检查。转轮叶片抛光检查验收、整体加工精度验收、作静平衡。

结束语：综上所述，水轮机叶片裂纹产生的原因有很多，前期设计制造中可能存在的瑕疵以及应对复杂的受力环境下的高负荷工作，从全面因素中考虑原因研究方案，学习研发更加先进的设计和生产技术强化生产质量，根据不同的水轮机转轮叶片工作环境做出有效调节，减少事故发生率，保证水轮机组安全、高效、稳定的运行状态，促进水力事业的可持续发展。

参考文献：
[1]徐尉, 邵亦平. 水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施[J]. 水能经济, 2017(7):390-390.

2. 袁娅. 水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施探讨[J]. 科学技术创新, 2017(19):32-33.

作者简介：徐开民（1973、10-）男，国网四川省电力公司映秀湾水力发电总厂，主要从事水工金属结构管理及水轮机过流部件修复相关工作。