浅谈某电站混流式水轮机转轮缺陷修复处理

朱长良

摘要：

水轮机转轮是水轮发电机组中重要能量转换部件，转轮材质、使用工况、运行方式等对转轮有较大影响，转轮叶片裂纹是水电站经常出现的一种常见缺陷，特别是运行年限较长的机组，本文将通过某电站混流式水轮机转轮叶片裂纹分析处理方法和过程，为后期遇到同类问题厂站提供解决方法和经验。

关键词：

混流式水轮机转轮、上冠、转轮裂纹、焊缝处理

正文：

某电站水轮为混流式水轮机型号为HL(F)－ＬＪ－275，混流立轴金属蜗壳，转轮标称直径为275cm，水轮机转轮叶片材质为ZG06Cr16Ni5Mo，水轮机由克瓦纳（杭州）发电设备有限公司设计生产。电站位于岷江流域茂县境内，电站水库为两个由地震产生的大、小海子，取水口设置拦污珊，通过引水隧洞将水送至电站水轮发电机组，电站有三台水轮发电机组，均为同一型号机组，2004年9月全部投产运行，运行至今出现过两次严重缺陷，本文将对两次缺陷处理修复过程进行讲述。

一、第一次缺陷处理

2015年电站3号机组在C修检查时发现水轮机转轮有一片长叶片出水边出现一近似半圆形的缺口，经测量缺口长度34.5cm，纵深25cm，上端厚度1.4cm，下端2.7cm，坡比约0.51，面积约710.5cm2。

   转轮叶片修复：

（一）探伤

1. MT和PT探伤开裂位置及附近300mm范围以确定裂纹及其他缺陷

已完全去除干净；  

2. UT探伤断口伏击300mm范围以确定无母材原始缺陷；

（二）修补 

1. 按照缺口尺寸配制一相同材质（0Cr16Ni5Mo）的缺角补块，要求补块厚度不小于对应原叶片位置厚度；

2. 打磨焊接坡口，要求在补块背面制备单面单边 V 型坡口，PT 检验坡口面；

3. 整体焊接工艺采用钨极氩弧焊(TIG)单面焊接双面成型。背部采用陶瓷衬垫保护，并在一定区域内富氩保护。  

4. 焊接过程中要求在焊缝周围叶片的正面和背面300mm范围内用陶瓷纤维保温;

5. 待坡口填满且焊缝完全冷却至室温后，在叶片背面焊缝上堆焊去应力退火层。

6. 待冷却后打磨焊缝表面至高于最终表面0.5-1mm，测量焊缝表面及热影响区硬度。如大于350HBC则重新焊接退火层，反之则打磨至最终表面并按最终粗糙度要求抛光。

7．修复后的转轮叶片缺口应具有同原叶片相似的线形和弧度，并具有相同的硬度（HB≧280）和强度。

（三） 检测

1.射线、着色探伤按国标GB4730 II 标准验收。

2.测量并记录补焊叶片与相邻叶片开口尺寸。

由于现场条件无法开展静平衡试验，对转轮试运转后检查，修复完成后机组运行稳定，振动摆度属于在正常范围内。

二、第二此缺陷处理

　　２０２３年电站３号机组A级修期间在对转轮检查过程中，发现转轮出现裂纹，需对其处理。具体位置如下：

⑴进水边11号叶片与上冠连接处存在长约20mm。深度为16mm的裂纹缺陷。

⑵出水边1号叶片底部有长度58mm，深度14mm的裂纹缺陷。

⑶转轮出水边存在大量汽蚀现象，其中最严重的长度为200mm，宽度为36mm，深度为9mm的汽蚀缺陷。

转轮处理

⑴清理、检查

对返厂转轮进行清理，检查，测量上冠外圆及下环外圆、内圆、梳齿止漏环尺寸。对出水边有裂纹的叶片测量与相邻叶片间开口尺寸。

⑵探伤

对转轮进行探伤检查，再次检查缺陷位置，其中对进水边及流道焊缝进行PT+UT探伤，对法兰面进行UT探伤。对出水边进行PT探伤。标识出存在裂纹位置，对需要处理的位置进行标识（由于该转轮为长短叶片转轮，流道较狭窄，探伤位置则尽可能多探）。

⑶打磨

　　对需处理的部位采用合金磨头及棒砂轮进行打磨：若是浅表裂纹，则直接对裂纹部位进行打磨，打磨时，注意对打磨位置周边修型，便于回焊。再对其进行PT探伤，确保将裂纹全部打磨干净。用清洗剂将探伤部位进行清洗，并用压缩空气吹干。

若是内部裂纹，则应在裂纹区间内从表面开始打磨，直至将裂纹打磨干净，同时注意对打磨位置修型，便于回焊。再对其进行PT探伤，确保将裂纹全部打磨干净。用清洗剂将探伤部位进行清洗，并用压缩空气吹干。

对于贯穿裂纹，则注意裂纹长度，打磨时注意不将叶片贯穿性磨透，留2-3mm厚度，在焊接过程中进行清根处理。

对于汽蚀部位，则采用棒砂轮进行打磨，将汽蚀部位打磨至见本体金属光泽。并将其清理干净。

⑷转轮补焊

对转轮需要处理的位置进行补焊，补焊材质选取HS367M焊丝，该种焊丝为哈尔滨焊接研究所研制，特别适合对ZG0Cr16Ni5Mo材质转轮的焊接。

在焊接前，对出水边较薄的焊接位置搭焊工艺拉筋，减少焊接变形。

⑸打磨

去除焊接工艺拉筋，对焊接部位进行打磨，打磨时注意圆滑过渡。并注意其表面粗糙度值不高于Ra1.6。

⑹探伤检查

在焊后24小时后进行无损探伤检测。对转轮处理部位进行探伤，对贯穿性裂纹进行UT+PT探伤，对非贯穿裂纹及浅表裂纹、汽蚀部位进行PT探伤，检查补焊、处理位置是否存在裂纹等缺陷。

⑺尺寸复查

对转轮上冠、下环、止漏环尺寸进行复测，并对焊接部位叶片出水边开口尺寸及下环内圆进行复查。

⑻转轮静平衡试验

对转轮进行静平衡试验，静平衡采用应力棒式静平衡。其原理介绍如下：

应力棒法转轮静平衡（测杆应变片法转轮静平衡）是目前世界上先进的静平衡技术，它应用应力棒（压杆）稳定的基本原理，通过应力棒（测杆）内应力的变化，确定转轮的不平衡力矩与方位，

在过渡柱的顶端放置应力棒，应力棒上部放置加长柱，加长柱上部放置平衡盘（盖板），转轮采用机械把合或放在平衡盘（盖板）上的方式与平衡盘（盖板）连接，平衡时，转轮的重量由平衡盘（盖板）传递给加长柱→应力棒→过渡柱→支架→基础，转轮的任何不平衡重将传给应力棒弯曲应力，通过贴在应力棒上的应变片，应变仪可以准确的测量上述弯曲应力的数值和方向，根据测量结果，可计算消除不平衡重所需的配重和配重位置。

本转轮修复完成后，进行转轮静平衡试验，制作试验用平衡盘及其他附属设备。

转轮静平衡时，拆除泄水锥下部环板，并将转轮吊至试验台上，行车缓慢下落，直至转轮完全落于试验台应力棒上。用支撑千斤顶将转轮支撑。取下钢丝绳，并再次缓慢降低千斤顶，千斤顶与转轮下环间隙为2-3mm，使转轮重量全部由应力棒承受，且不至于发生倾倒。进行试验，根据试验结果进行配重。

本转轮残留不平衡重量为在转轮上冠内部Φ1800mm处不大于440g。

若是修复后转轮不平衡重量大于残留不平衡重量，需对其进行配重，配重采用增重的方式。在上冠泵板内部位置配重。焊接时，需拆除泵板，并焊接配重块，焊完配重块后对焊缝进行PT探伤，确保焊接无裂纹。再按照标识回装泵板，回装泵板螺栓时，螺纹需涂乐泰242螺纹锁固胶，把和螺栓时注意顺序，且按照图纸要求力矩进行把紧。

    再次对转轮进行平衡试验合格。

回装泄水锥下部环板，同样在螺纹部位涂乐泰242螺纹锁固胶，把和螺栓时注意顺序，且按照图纸要求力矩进行把紧。

结语

水轮机转轮是水轮发电机组的重要运行设备，裂纹缺陷处理非常重要，对机组安全运行影响重大，处理方法依据裂纹产生情况、处理地点、处理人员技术水平不一，处理结果及达到的效果也各不相同，第一次缺陷处理因为处理场地有限，未作静平衡实验，但依靠修复师傅专业的手段和多年处理水轮机转轮的经验使转轮修复后，各项数据均满足要求，且至今仍在安全运行，未出现问题；第二次去缺陷处理返厂维修，对转轮进行全面检查和修复，并进行静平衡试验，对转轮进行配重处理，确保机组运行平衡。水轮机转轮的运行需要合理的安排运行工况，对转轮运行进行振动摆度等数据进行全面监测，及时进行全面检查，借助内窥镜等手段对转轮进行经常性检查，尽早发现隐患，预防转轮裂纹产生，确保水轮机安全稳定运行。

参考文献：

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[3]张举世,孟鹏,王波等.某电站混流式水轮机调速器模型参数测试研究[J].小水电,2023(02):29-31+36.