鲁地拉水电站转轮叶片裂纹处理方法

鲁地拉水电站转轮叶片裂纹处理方法

宋华

（云南华电鲁地拉水电有限公司云南大理671600）

摘要：本文针对鲁地拉水电站转轮叶片裂纹情况，简单分析了裂纹产生的原因，详细介绍了贯穿性裂纹的修复和转轮修型的处理方法，希望能为同类型电站转轮裂纹处理提供借鉴。

鲁地拉水电站为金沙江中游河段八级规划的第七个梯级，年利用小时4610h，正常蓄水位为1223.0m，引水系统采用“单机单管”供水方式，尾水系统采用二台机共用一个尾水调压室、一条尾水洞的布置形式，2013年7月首台机组投产。电站安装6台额定转速100r/min，额定水头80m，额定功率为367MW的HLD563-LJ-710型混流式水轮机。水轮机设计的最大工作水头94m，最小工作水头64.9m，平均水头84m，额定水头80m，吸出高程-6.35m。转轮由上冠、下环和13片X型叶片构成，材质为铸钢ZG04Cr13Ni5Mo，采用工地现场组焊的方式生产完成。

一、转轮叶片裂纹情况

电站建成投产后，自2014年开始陆续开展了计划性检修工作。2015年汛后至2016年汛前年度机组检修，发现6台机组转轮叶片均存在裂纹，裂纹呈非贯穿性裂纹和贯穿性裂纹两种，裂纹分布位置在叶片与上冠结合部位，典型裂纹见图1、图2：

根据转轮裂纹生产的大致时间，对应采集了2016年度全厂机组空载和低负荷运行时间：#1机组低空运行时间681.31h；#2机组低空运行时间339.58h；#3机组低空运行时间358.99h；#4机组低空运行时间922.83h；#5机组低空运行时间1050.75h；#6机组低空运行时间1105.4h。2016年全厂机组低空运行时间总计达4458.86h。

以上资料显示，空载低负荷运行时间较长的机组转轮均不同程度的出现贯穿性裂纹。

二、裂纹成因简析

大型水轮发电机组出现水轮机转轮叶片裂纹问题并不罕见，纵观目前国内大型水轮发电机组转轮裂纹已知事例及经验分析，笔者认为造成大型水轮发电机组转轮裂纹的原因主要有三个方面：一方面是焊接和热处理缺陷在运行中发展；另一方面是焊接和热处理不当造成的冷裂纹；再一方面是转轮叶片共振或应力造成的疲劳裂纹。除个别水轮机外，大部分水轮机转轮叶片的裂纹都呈现典型的疲劳特征。因此，叶片所承受的动应力就是影响或导致叶片裂纹的关键因素。

根据国内部分大型水轮发电机组转轮叶片的应力试验情况，再结合鲁地拉水电站机组实际运行状况及裂纹出现的区域，认为转轮低负荷运行时叶片出水边与上冠连接处动应力过大，叶片出水边与上冠连接处抗击机组小负荷时动应力的能力偏弱，是鲁地拉水电站转轮叶片产生裂纹的主要原因。

三、裂纹处理方法

为彻底解决鲁地拉水电站转轮叶片裂纹问题，主要采用在叶片出水边与上冠连接处增加减应力三角块（转轮修型）的方法进行处理，以增强转轮叶片抗击机组小负荷时动应力的能力。加强三角块首先需要对非贯穿性裂纹和贯穿性裂纹进行修复，使转轮复原后再加以实施。

1、贯穿性裂纹修复

（1）正面裂纹的处理

①从距开裂处约20mm的地方反向清理叶片正面裂纹，清理深度约为2/3叶片厚度，并预制坡口。清理前用火焰预热裂纹及附近50mm范围，应控制好温度以避免裂纹扩展。

②打磨清理部位见金属光泽，进行PT探伤以确认裂纹完全清除。

③将焊接区域及附近50mm范围内的油污、水分等杂质清理干净。

④焊接区域及附近50mm范围内预热100℃后，采用气体保护焊（ER309LΦ1.2mm不锈钢焊丝）或手工焊（E309LΦ3.2mm不锈钢焊条）进行多层窄道焊，焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力。

（2）背面裂纹的处理

打磨清理部位见金属光泽，进行PT探伤以确认裂纹完全清除。

将焊接区域及附近50mm范围内的油污、水分等杂质清理干净。

焊接区域及附近50mm范围内预热100℃后，采用气体保护焊（ER309LΦ1.2mm不锈钢焊丝）或手工焊（E309LΦ3.2mm不锈钢焊条）进行多层窄道焊，焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力。

焊后立即用阻燃布覆盖返修区域，使其缓冷。

对修复部位进行粗磨。

对焊缝进行UT（修复深度≥10mm）+PT探伤。

2、转轮修型处理

转轮修型处理主要在叶片靠上冠侧增加三角块，然后在叶片上堆焊过渡。减应力三角块修型图见图3。

图4：接头清理形式

①焊后无损检测。叶片与上冠相贯区域为转轮结构的薄弱位置，易产生裂纹。开口性的表面缺陷极易诱发裂纹，故对于叶片出水边除常规的UT探伤外，还需特殊的PT探伤，此PT探伤要求三角块及三角块焊缝在出水边棱边部位要求PT探伤零显示。

②使用火焰或电加热的方式加热。焊后保温、缓冷，保温温度不低于预热温度，保温时间1h。使用电加热时将加热片贴好加热即可，使用火焰加热时，允许加热后使用保温毯覆盖保温。

（2）焊接变形控制

转轮修型须尽可能的减小焊接对未修型部位尺寸的影响，而减小焊接变形最有效的方式是减小焊接量。

①主要使用低热输入的气体保护焊进行施焊。

②实施定位焊焊缝，每段定位焊焊缝长度不小于30mm，厚度10mm。定位焊位于叶片正压侧。

③整个转轮的焊接应按照叶片位置对称焊接，先进行三角块焊接，然后堆焊。每块叶片的焊接顺序采用先焊叶片侧再焊上冠侧的焊接顺序进行焊接。对接焊缝先焊接正压面，单侧焊缝焊满，碳弧气刨清根，VT检查，确认无缺陷后负压侧完成填充焊道。堆焊分段、分区域进行，并将区域的划分在叶片上标示出来，堆焊从堆焊厚度薄的位置起开始施焊，逐步向堆焊厚度大的位置变化。

④针对三角块与上冠焊缝，除根部焊道及盖面焊道外，每道焊缝焊完后，应立即进行锤击（严禁焊缝冷却后才锤击），要求锤击达到焊缝表面模糊的效果（即焊道纹路打花）。

⑤在焊接前、中、后监测叶片变形，依据变形量进行调整。在出水边端面处做标记，作为转轮叶片开口检测点（至少2点），记录处理前、后叶片间开口。

结语

水轮机转轮叶片产生裂纹的原因是多方面的，通过对叶片进行修型，对机组稳定运行提供了一定的参考价值，但裂纹的产生是无法完全消失的，只有在机组运行和检修过程中不断分析总结才能采取有效措施减少裂纹产生的几率。同时建议优化混流式水轮机转轮（X型叶片）运行方式，应尽量避免在禁止运行区域和低负荷区域（10%-20%额定负荷）长时间连续运行。

作者简介：

宋华（1981.10—），男，助理工程师，主要从事水电站机电设备检修维护管理工作。