技術(shù)論文石泉電廠3水輪機(jī)汽蝕裂紋產(chǎn)生的原因分析及處理

1、技 術(shù) 論 文（石泉電廠3#水輪機(jī)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?xí)r 間：二0一0年七月石泉電廠3#水輪機(jī)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(tái)46.4MW機(jī)組。 水輪機(jī)型號(hào)為HL123HL4100, 額定工作水頭39.00m。最低水頭26.00 m，設(shè)計(jì)流量138.5,安裝高程360.508m，吸出高度-0.8 m。3#機(jī)組已于1973年投產(chǎn)發(fā)電,1975年2月-1975年3機(jī)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(jī)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(jié)合處除13#、14#葉片外均有較嚴(yán)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(yán)重；1984年11月-1985年1月機(jī)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(gè)葉片出水邊下環(huán)流道均產(chǎn)生汽蝕，9#最為嚴(yán)重。轉(zhuǎn)輪汽蝕總面積達(dá)1.72，尾水管湊合節(jié)從湊合節(jié)以下270 mm寬一周汽蝕嚴(yán)重，深度在5mm-9mm左右，汽蝕總面積達(dá)3.22。 關(guān)鍵詞：水輪機(jī);氣蝕;裂紋;分析;檢修質(zhì)量一. 水輪機(jī)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(qiáng)度。水流在水輪機(jī)中運(yùn)動(dòng)，存在某些高速低壓區(qū)，當(dāng)該區(qū)域水流壓力降低到當(dāng)時(shí)水溫下的汽化壓力Po時(shí)，則產(chǎn)生大量氣泡。這些氣泡被帶到相對(duì)的低壓高速區(qū)時(shí)開(kāi)始被壓縮、凝聚以致迅速破裂。氣泡破裂形成高速射流，當(dāng)氣泡半徑縮小到原半徑的1/50時(shí)，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(dá)數(shù)百甚至上千個(gè)大氣壓）。然后被強(qiáng)烈碰撞的水質(zhì)點(diǎn)又急劇的向相反方向擴(kuò)散，從而造成該處氣泡壓力又急劇降低（亦稱負(fù)水錘壓力）。形成周期性壓力脈動(dòng)。這種微觀射流沖擊伴隨著水流質(zhì)點(diǎn)對(duì)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(jié)晶顆粒脫落。當(dāng)汽蝕反復(fù)作用在同一部位時(shí)，就會(huì)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(jī)汽蝕破壞的主要原因。同時(shí)，汽蝕過(guò)程中氣泡被壓縮、高速?zèng)_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(jìn)程。2，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因分析石泉電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的裂紋多產(chǎn)生于葉片進(jìn)水邊頭部、背面及葉片與上冠連結(jié)處等區(qū)域，且在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行多年以后才產(chǎn)生，應(yīng)是疲勞所致裂紋。檢測(cè)區(qū)氣孔、縮孔多，大多來(lái)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(cè)延伸發(fā)展。金屬材料的疲勞破壞有一個(gè)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(kuò)展，直至最后的破

5、壞過(guò)程。大多數(shù)機(jī)械和其它工程結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中都承受交變載荷的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有50-90%的機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞是由疲勞損傷引起的。疲勞破壞由于通常沒(méi)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(jì)損失。疲勞破壞主要可分為兩個(gè)階段，即裂紋形成階段（達(dá)到可檢裂紋長(zhǎng)度0.25-1mm）和裂紋擴(kuò)展階段。試驗(yàn)證明了重復(fù)的塑性應(yīng)變是形成疲勞裂紋的基本原因。金屬材料受載超過(guò)屈服極限后，將產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變不再成線性關(guān)系。一般結(jié)構(gòu)或構(gòu)件總有應(yīng)力相對(duì)集中部位（如氣孔、縮孔、原始的鑄造或鍛造裂紋以及結(jié)構(gòu)彎曲處等），于是在工作載荷的作用下，盡管這些結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的總體仍處在彈性范圍內(nèi)，但應(yīng)力集中部位

6、卻進(jìn)入塑性狀態(tài)，從而產(chǎn)生疲勞裂紋。石泉電廠2#機(jī)組轉(zhuǎn)輪大致如此。尤其是長(zhǎng)期的低負(fù)荷、空負(fù)荷運(yùn)行，更使轉(zhuǎn)輪工況惡化，振動(dòng)劇烈，使葉片（尤其是葉片進(jìn)水邊）在交變應(yīng)作用下產(chǎn)生裂紋并加劇其發(fā)展。二，水輪機(jī)汽蝕、裂紋的處理1， 水輪機(jī)汽蝕處理（1）汽蝕處理技術(shù)要求 1）補(bǔ)焊中嚴(yán)格按照施焊工藝，防止應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)輪的汽蝕補(bǔ)焊，也應(yīng)用對(duì)稱,輪流，分塊焊的工藝。尾水管里襯補(bǔ)焊面積較大也應(yīng)采用對(duì)稱，分塊焊的方法。每塊面積不可過(guò)大，避免連續(xù)施焊；2）為消除焊接應(yīng)力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均應(yīng)進(jìn)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(yīng)力； 3）對(duì)較大汽蝕補(bǔ)焊面積，每一層的焊波接頭及層

7、與層之間焊波接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)； 4）第二道焊波最少應(yīng)蓋住第一道焊波的1/3。這樣才可以對(duì)第一道焊波起到一定的回火作用，從而減少應(yīng)力集中； 5）在汽蝕補(bǔ)焊過(guò)程中，應(yīng)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(kuò)大； 6）在汽蝕補(bǔ)焊過(guò)程中，運(yùn)焊條的速度應(yīng)均勻，電弧應(yīng)穩(wěn)定； 7）焊條使用前應(yīng)按規(guī)定烘干 8）汽蝕補(bǔ)焊最后一層應(yīng)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(yīng)控制在2mm3mm之間； 2）打磨的粗糙度應(yīng)盡量提高，應(yīng)達(dá)到12.5。因?yàn)楸砻嫣幚泶?/p>

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(guò)0.50mm，長(zhǎng)度大于50mm的溝槽。局部的凹凸細(xì)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(guò)渡應(yīng)光滑過(guò)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(jī)裂紋的處理 （1）在裂紋（見(jiàn)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(shí)際的鉆止裂孔過(guò)程中，由于現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)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(gè)定位點(diǎn)，然后使用高速氣砂輪機(jī)帶動(dòng)的合金磨頭，在定位點(diǎn)磨出一個(gè)止裂孔，此方法速度

9、快，效果好，使葉片裂紋的處理時(shí)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(yù)熱50-100?？捎醚?乙炔焰加熱，預(yù)熱范圍為裂紋周圍200mm。裂紋應(yīng)清理干凈，表面酸洗（用30%硫酸或5%硝酸），進(jìn)行宏觀檢查，至肉眼不見(jiàn)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(kāi)坡口，為防止過(guò)熱，應(yīng)間斷進(jìn)行，刨后用砂輪機(jī)打出金屬光澤。（見(jiàn)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(jiàn)照片2）（5）焊前預(yù)熱： 用氧乙炔焰在裂紋背面沿裂紋方向移動(dòng)加熱。溫升至150后停止加熱（可用點(diǎn)溫計(jì)測(cè)），保溫4小時(shí)。注意坡口周圍應(yīng)有足夠的預(yù)熱范圍。 （6）補(bǔ)焊工

10、藝：1）焊條用A237，用前應(yīng)烘干。2）錘擊消除應(yīng)力（可用風(fēng)鏟），焊一層錘擊一遍，可往復(fù)錘23次，錘擊出麻點(diǎn)即可。 (照片2)3）錘擊溫度：最好在溫度高時(shí)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(duì)于穿透性補(bǔ)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(yīng)采用鑲邊焊，6）對(duì)穿透性裂紋，先在正面焊23道焊波后，在背面用風(fēng)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(jiàn)照片3，4）7）多層焊時(shí)，每層焊縫的起弧和收尾要交錯(cuò)。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(shí)應(yīng)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(yīng)高出周圍表面，以保證打磨后無(wú)凹坑。10）焊補(bǔ)后進(jìn)行適當(dāng)?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(dá)3以上。（7）探傷 1）先進(jìn)行外觀檢查，焊縫和熱影響區(qū)不應(yīng)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(kāi)后重新補(bǔ)焊。三，幾點(diǎn)建議 （1）使用新工具。目前我們使用的國(guó)產(chǎn)風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)重量較重，個(gè)別狹窄部位（如上冠流道，葉片根部）一般砂輪機(jī)磨不到（現(xiàn)有的太小無(wú)法使用），這些部位處理起來(lái)十分困難，工作效率低，檢修質(zhì)量難以保證?，F(xiàn)有進(jìn)口軟軸砂輪機(jī)轉(zhuǎn)速高，重量輕，可使用多種磨頭，應(yīng)考慮使用。 （2）在汽蝕處理表面涂刷環(huán)氧樹(shù)脂、復(fù)合尼龍抗磨涂層，使用合金粉末噴焊等新技術(shù)已逐漸成熟，很多電廠使用已取得了較理想的效果，我們應(yīng)積極探索學(xué)習(xí)，在我廠推