技術論文石泉電廠3水輪機汽蝕裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理

1、技 術 論 文（石泉電廠3#水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理） 單 位：大唐石泉水力發(fā)電廠姓 名：李亮時 間：二0一0年七月石泉電廠3#水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理李 亮（大唐石泉水力發(fā)電廠，陜西 石泉 725200）摘要：石泉電廠裝有3臺46.4MW機組。 水輪機型號為HL123HL4100, 額定工作水頭39.00m。最低水頭26.00 m，設計流量138.5,安裝高程360.508m，吸出高度-0.8 m。3#機組已于1973年投產(chǎn)發(fā)電,1975年2月-1975年3機組第一次大修，檢查發(fā)現(xiàn)葉片汽蝕輕微，汽蝕平均深度2mm, 汽蝕最大深度8mm。1978年12月機組第二次大修，

2、檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪1#、3#、4#、5#、7#、8#、11#、13#、14#葉片背面均有不同程度的汽蝕產(chǎn)生。轉(zhuǎn)輪葉片背面與下環(huán)結合處除13#、14#葉片外均有較嚴重的汽蝕產(chǎn)生。轉(zhuǎn)輪上冠4#-5#、11#-12#和13#-14#葉片間均有汽蝕產(chǎn)生。尾水管里襯汽蝕嚴重；1984年11月-1985年1月機組第三次大修檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片背面根部均有汽蝕。14個葉片出水邊下環(huán)流道均產(chǎn)生汽蝕，9#最為嚴重。轉(zhuǎn)輪汽蝕總面積達1.72，尾水管湊合節(jié)從湊合節(jié)以下270 mm寬一周汽蝕嚴重，深度在5mm-9mm左右，汽蝕總面積達3.22。 關鍵詞：水輪機;氣蝕;裂紋;分析;檢修質(zhì)量一. 水輪機汽蝕、裂紋產(chǎn)生的原因分析1.

3、汽蝕的成因一般自然水中含有一定量的空氣，大大降低了水的體積強度。水流在水輪機中運動，存在某些高速低壓區(qū)，當該區(qū)域水流壓力降低到當時水溫下的汽化壓力Po時，則產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡被帶到相對的低壓高速區(qū)時開始被壓縮、凝聚以致迅速破裂。氣泡破裂形成高速射流，當氣泡半徑縮小到原半徑的1/50時，該射流速度接近水中音速。因而產(chǎn)生局部的巨大沖擊力（即所謂的水錘壓力，可達數(shù)百甚至上千個大氣壓）。然后被強烈碰撞的水質(zhì)點又急劇的向相反方向擴散，從而造成該處氣泡壓力又急劇降低（亦稱負水錘壓力）。形成周期性壓力脈動。這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點對發(fā)生汽蝕部位的金屬表面不斷的壓入和吸出，使該部位金屬表面發(fā)生微觀塑

4、變和材料疲勞。造成金屬結晶顆粒脫落。當汽蝕反復作用在同一部位時，就會造成金屬表面變暗、粗糙，出現(xiàn)蜂窩以致穿孔或斷裂等現(xiàn)象。這是造成水輪機汽蝕破壞的主要原因。同時，汽蝕過程中氣泡被壓縮、高速沖擊、金屬表面的微觀塑變產(chǎn)生局部高溫氧化、電解作用也加速了汽蝕破壞的進程。2，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因分析石泉電廠水輪機轉(zhuǎn)輪的裂紋多產(chǎn)生于葉片進水邊頭部、背面及葉片與上冠連結處等區(qū)域，且在轉(zhuǎn)輪運行多年以后才產(chǎn)生，應是疲勞所致裂紋。檢測區(qū)氣孔、縮孔多，大多來自于鑄造方面的原因。有些裂紋產(chǎn)生于氣孔、縮孔處并向兩側延伸發(fā)展。金屬材料的疲勞破壞有一個材料在交變載荷作用下的逐漸累積損傷，產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直至最后的破

5、壞過程。大多數(shù)機械和其它工程結構在使用過程中都承受交變載荷的作用。據(jù)統(tǒng)計，約有50-90%的機械結構破壞是由疲勞損傷引起的。疲勞破壞由于通常沒有明顯的宏觀塑性變形，因而常常出現(xiàn)突然斷裂，造成很大的危害和經(jīng)濟損失。疲勞破壞主要可分為兩個階段，即裂紋形成階段（達到可檢裂紋長度0.25-1mm）和裂紋擴展階段。試驗證明了重復的塑性應變是形成疲勞裂紋的基本原因。金屬材料受載超過屈服極限后，將產(chǎn)生塑性變形，此時，應力應變不再成線性關系。一般結構或構件總有應力相對集中部位（如氣孔、縮孔、原始的鑄造或鍛造裂紋以及結構彎曲處等），于是在工作載荷的作用下，盡管這些結構或構件的總體仍處在彈性范圍內(nèi)，但應力集中部位

6、卻進入塑性狀態(tài)，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。石泉電廠2#機組轉(zhuǎn)輪大致如此。尤其是長期的低負荷、空負荷運行，更使轉(zhuǎn)輪工況惡化，振動劇烈，使葉片（尤其是葉片進水邊）在交變應作用下產(chǎn)生裂紋并加劇其發(fā)展。二，水輪機汽蝕、裂紋的處理1， 水輪機汽蝕處理（1）汽蝕處理技術要求 1）補焊中嚴格按照施焊工藝，防止應力集中。轉(zhuǎn)輪的汽蝕補焊，也應用對稱,輪流，分塊焊的工藝。尾水管里襯補焊面積較大也應采用對稱，分塊焊的方法。每塊面積不可過大，避免連續(xù)施焊；2）為消除焊接應力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均應進行錘擊。最好是每焊完一道焊波（暗紅色）馬上錘擊，以松弛焊接收縮應力； 3）對較大汽蝕補焊面積，每一層的焊波接頭及層

7、與層之間焊波接頭應錯開； 4）第二道焊波最少應蓋住第一道焊波的1/3。這樣才可以對第一道焊波起到一定的回火作用，從而減少應力集中； 5）在汽蝕補焊過程中，應采用小電流短弧焊施焊工藝，防止因電流太大金屬融化較深，熱影響區(qū)域擴大； 6）在汽蝕補焊過程中，運焊條的速度應均勻，電弧應穩(wěn)定； 7）焊條使用前應按規(guī)定烘干 8）汽蝕補焊最后一層應高出原型表面1mm2mm為宜，以作為磨削余量（2）汽蝕處理質(zhì)量要求 1）轉(zhuǎn)輪葉片型線檢查。按汽蝕破壞最輕的葉片制作型線樣板，用該樣板檢查汽蝕處理后的葉片型線。葉片表面與樣板間的間隙應控制在2mm3mm之間； 2）打磨的粗糙度應盡量提高，應達到12.5。因為表面處理粗

8、糙度越高，越不容易產(chǎn)生汽蝕； 3）經(jīng)打磨處理后的表面不允許有凹凸不平及深度超過0.50mm，長度大于50mm的溝槽。局部的凹凸細小的溝槽多是汽蝕破壞和加劇的誘因；4）汽蝕處理區(qū)域的邊沿與原母材過渡應光滑過度，保持原型線； 5）原尾水管壁內(nèi)焊疤必須全部磨平。2，水輪機裂紋的處理 （1）在裂紋（見照片1）的兩端刨前在裂紋兩端（向外延伸1020mm ）鉆止裂孔.直徑為6-8 mm。在實際的鉆止裂孔過程中，由于現(xiàn)場的工作位置以及葉片材質(zhì)硬度大于鉆頭的硬度，用鉆頭打止裂孔進度緩慢，難度很大。我們采取了用鉆頭在打孔位置先打出一個定位點，然后使用高速氣砂輪機帶動的合金磨頭，在定位點磨出一個止裂孔，此方法速度

9、快，效果好，使葉片裂紋的處理時間得到大大的提高。（2）裂紋清理用碳弧氣刨，刨前在裂紋附近預熱50-100?？捎醚?乙炔焰加熱，預熱范圍為裂紋周圍200mm。裂紋應清理干凈，表面酸洗（用30%硫酸或5%硝酸），進行宏觀檢查，至肉眼不見裂紋為 (照片1)止（可用放大鏡），也可用著色探傷法檢查。（3）用碳弧氣刨刨開坡口，為防止過熱，應間斷進行，刨后用砂輪機打出金屬光澤。（見照片2）（4）坡口型式為K型雙面裂紋和單邊V型（單面裂紋處）。（見照片2）（5）焊前預熱： 用氧乙炔焰在裂紋背面沿裂紋方向移動加熱。溫升至150后停止加熱（可用點溫計測），保溫4小時。注意坡口周圍應有足夠的預熱范圍。 （6）補焊工

10、藝：1）焊條用A237，用前應烘干。2）錘擊消除應力（可用風鏟），焊一層錘擊一遍，可往復錘23次，錘擊出麻點即可。 (照片2)3）錘擊溫度：最好在溫度高時錘擊。也可在冷卻到200 以下再錘擊。不可在200500溫度下錘擊。4）對于穿透性補焊區(qū)，底層不能錘擊。焊縫的表面層均不能錘擊。 5）若坡口深度大于20mm，應采用鑲邊焊，6）對穿透性裂紋，先在正面焊23道焊波后，在背面用風鏟（或碳弧氣刨）清除坡口底部熔渣等，然后，在背面施焊，最后，正反輪番施焊。（見照片3，4）7）多層焊時，每層焊縫的起弧和收尾要交錯。根部幾層用小直徑焊條（2.53.2），盡量用小電流，短弧焊要保證焊透。 (照片3) (照片

11、4) 8）每道焊縫要層搭接上一焊道的1/3寬度以上。焊至表面時應注意防止咬邊。 9）焊滿后在表面焊一道退火焊道，注意焊縫應高出周圍表面，以保證打磨后無凹坑。10）焊補后進行適當?shù)谋刂?，用砂輪將焊縫按葉面打磨光滑，將退火焊道磨掉，表面光潔度達3以上。（7）探傷 1）先進行外觀檢查，焊縫和熱影響區(qū)不應有裂紋和咬邊。 2）用超聲波探傷，焊縫內(nèi)不得有裂縫夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，若有缺陷，須挖開后重新補焊。三，幾點建議 （1）使用新工具。目前我們使用的國產(chǎn)風動砂輪機重量較重，個別狹窄部位（如上冠流道，葉片根部）一般砂輪機磨不到（現(xiàn)有的太小無法使用），這些部位處理起來十分困難，工作效率低，檢修質(zhì)量難以保證。現(xiàn)有進口軟軸砂輪機轉(zhuǎn)速高，重量輕，可使用多種磨頭，應考慮使用。 （2）在汽蝕處理表面涂刷環(huán)氧樹脂、復合尼龍抗磨涂層，使用合金粉末噴焊等新技術已逐漸成熟，很多電廠使用已取得了較理想的效果，我們應積極探索學習，在我廠推