水轮机叶片裂纹原因分析及现场修复措施

杭天培王乾坤

摘要：近年来，华能雨汪电厂在长底水电站水轮机大修中发现水轮机转轮的叶片频繁发生裂纹，严重威胁水电站的安全经济运行，本文对长底水电站水轮机转轮叶片裂纹产生的原因进行分析及并对其进行现场处理，消除事故隐患，保证了机组安全稳定运行。

关键词：裂纹转轮叶片水轮机坡口

一、引言

华能雨汪电厂长底水电站长底水电站装机规模4×4.5MW,水轮机型号为ZDJP502～LH～250(0°),设计参数：水头15m，额定转速214.3r/min，飞逸转速472r/min，额定出力4737kW，额定流量34.61m3/s，2010年1月份投产，在历次大修中发现每台水轮机转轮叶片根部均存在裂纹现象，1号机组有3只叶片根部发现裂纹，2号机组、3号机组、4号机组有1只叶片根部焊缝发现裂纹。

二、裂纹产生原因分析

通过对比每台机组叶片根部焊缝裂纹，裂纹分布在距叶片上冠约220mm处，长200～400mm，该位置正处于转轮叶片应力集中区。一般转轮叶片存在四个高应力区，它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。对裂纹打磨发现，焊缝内部存在条状缺陷，有的约3mm左右气孔、夹渣缺陷，在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。

转轮结构图（图1）裂纹示意图（图2）

三、修复方案

1、焊材的确定

转轮材质为ZG230-450，叶片材质为0Cr13Ni4Mo，转轮直径800mm，长1200mm，叶片根部厚度75mm，转轮为铸钢材料，焊缝为异种钢焊接，根据一般异种焊接匹配原则，选择焊材为A102，A102是钛钙型药皮的Cr19Ni10不锈钢焊条。熔敷金属具有良好的力学性能及抗晶间腐蚀性能。有优良的焊接工艺性能和抗气孔性能，药皮耐发红、抗开裂。

2、裂纹的清除

受现场条件限制，为避免碳弧气刨方法使用不当，引起裂纹再延伸扩展，裂纹清除采用机械打磨的方式进行清除，在挖磨过程中，边挖磨边观察裂纹走向、宏观检查裂纹消除后再用着色探伤方法确认裂纹彻底消除。

3、坡口的制备

确定裂纹彻底消除后，制备焊接修复坡口。因裂纹非贯穿性裂纹，坡口制备成V型坡口，坡口角度40～50度，为避免V型坡口根部存在尖角焊接时产生裂纹，须将

V型坡口根部倒角，圆滑过度，倒角半径3mm左右。

4、预热及后处处理

受现场条件限制，预热及后处处理采用氧-乙炔中性焰加热，面做焊后热处理，焊后包覆缓冷。预热时火焰焰心距离工作件10mm以上，均匀加热。

四、焊接工艺

1、使用前必须要在300℃温度下烘干2ｈ，使用时装在100℃的保温桶内下进行保温，随用随取。

2、焊条直径可视坡口的宽窄在2.5mm、3.2mm、4.0mm之间选择，焊接电流遵守下列规定：直径2.5mm，焊接电流为60～80（A）；直径3.2mm，焊接电流为80～110（A）；直径4.0mm，焊接电流为110～150（A）。

3、在焊前对缺陷部位进行局部预热，对补焊部位及附近100mm范围内采用氧-乙炔火焰局部预热，加热时采用远红外测温仪在距坡口边缘50mm处监测预热温度。温升速度约100℃/ｈ，温度控制在110℃，预热温度达到要求后再恒温30分钟即可施焊。

4、施焊采用薄层、分段、退步焊接技术、防止叶片变形。由于补焊区域焊后不进行焊后热处理，因此补焊操作时应采用窄焊道（最大6～10mm宽）、薄焊层（每层最大厚度4～5mm）。盖面层焊接完成后应使用回火焊道技术，即当盖面层焊接完成后，在盖面层上再焊接一层以达到对盖面层焊道进行回火的目的，回火焊道只能焊接在盖面层上且不能与两侧的母材相接触。

5、施焊过程中除底层及表面层外每层采用锤击法消除应力；

6、补焊后立即用保温棉覆盖保温缓冷。

五、结论

通过修复前的精心准备、修复过程严格按照工艺要求实施、保温缓冷24小时后对叶片进行检查，用砂轮顺叶片型线修磨圆滑处理，去除焊缝余高，对转轮补焊部位及热影响区表面按照NB/T47013进行了VT、PT、UT检测，检验合格，回装后实测垂直方向振动2.8丝，水平方向振动5.1丝，达到优良。

参考文献：

［1］《汽轮机叶片、水轮机转轮焊接修复技术规程》北京：中国电力出版社，2017.

［2］林洪德，张利民水轮机转轮裂纹的原因分析及预防措施.工艺与装备，2013，(4)

［3］《水轮机基本技术条件》北京：中国标准出版社，2006.

作者简介：

1.杭天培，男，1978年12月12日，云南滇东雨汪能源有限公司华能雨汪电厂、工程师，655500

2.王乾坤，男，1970年9月28日，云南滇东雨汪能源有限公司华能雨汪电厂，工程师，655500