水電站水輪機轉(zhuǎn)矩材料的選擇與應(yīng)用

水電站水輪機轉(zhuǎn)矩材料的選擇與應(yīng)用

1水輪機齒輪材料康先生的處理廠類型為hl2200-lj-550，3號機組已投入使用近10年，旋轉(zhuǎn)材料為0ec13ni6mo。轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機組的關(guān)鍵部件,它不僅承受水流的沖擊力,還要遭受氣蝕、磨損等破壞作用,因此,水輪機轉(zhuǎn)輪材料不僅要有足夠的強度、韌性和良好的抗氣蝕、抗磨損性能,而且還應(yīng)有良好的鑄造、焊接和加工工藝性能。早期的水輪機轉(zhuǎn)輪是用青銅和鑄鐵制造的,由于它們的抗磨蝕性能均低于碳鋼,早已被碳鋼和合金鋼取代。目前國內(nèi)用于生產(chǎn)水輪機轉(zhuǎn)輪的材料有:25、30、35號鋼、20SiMn、15MnMoVCu、15MnCuTi等低合金鋼;Cr5Cu、Cr8CuMo等中合金鋼;1Cr13、2Cr13不銹鋼和0Cr13Ni6N,0Cr13Ni6Mo,0Cr13Ni5Mo,0Cr13Ni4Mo,0Cr13Ni4CuMo等高合金鉻鎳不銹鋼。上述有些材料使用效果不理想,性能不完善,造成一些電站檢修頻繁,修補工作量大,甚至發(fā)生葉片斷裂的事故,影響了電站的安全經(jīng)濟運行。據(jù)統(tǒng)計,我國電站的水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋較多,因裂紋嚴重導(dǎo)致葉片斷裂的事故屢有發(fā)生,具體情況見表1。0Cr13Ni6Mo是低碳馬氏體高強度不銹鋼,此型鋼不僅Cr、Ni含量低于18—8奧氏體不銹鋼,其抗磨蝕性能亦優(yōu)越,塑性、韌性及焊接性能優(yōu)良,作為水輪機轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)材料在70年代前后已被廣泛應(yīng)用,至今被視為國際上適用的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)材料。0Cr13Ni6Mo的一般生產(chǎn)工藝為:以電弧爐真空氧脫碳爐外精煉工藝進行冶煉,并用固渣保護澆注成錠,再經(jīng)過萬能軋機軋成板材成品,其常規(guī)成份見表2。轉(zhuǎn)輪裂紋的存在威脅著水電站的安全經(jīng)濟運行,因此必須加強對轉(zhuǎn)輪裂紋的檢查、監(jiān)測與處理。2測試2.1布硬度和耐久性采用HLN—11A里氏硬度儀檢測了2號、3號、10號葉片的硬度,該儀器相對誤差±0.8%,示值重復(fù)性誤差0.8%。硬度是材料抵抗硬物體壓入其表面的能力,是一項重要的機械性能指標,它決定了材料的耐磨性。一般說來,硬度高,強度也高,耐磨性也好,它反映了材料對塑性變形的抗力。布氏硬度是以一定的載荷p,把直徑為D的淬火鋼球壓入被測金屬表面,然后用壓痕的面積除以p所得的商作為硬度的指標,以符號HB表示。測試表明,2號、3號、10號葉片布氏硬度平均值分別為248、227,230。2.2微峰谷不清晰度的測量采用TR100粗糙度測試儀,儀器最大取樣長度為2.5mm,最小垂直分辨率0.01μm,最大垂直量程40～120μm。粗糙度(光潔度)的評定,是指對結(jié)構(gòu)表面上所具有的較小間距和微小峰谷不平度的微觀幾何形狀尺寸特性的綜合評價,不考慮加工表面其它物理特性諸因素。測量表面光潔度數(shù)值的基準線是以輪廓中線為基準,將輪廓曲線分為上、下兩半,使其在基本長度(取樣長度)范圍內(nèi),由中線至輪廓線上下兩邊的面積彼此相等。粗糙度可用兩種方式表示:Ra為輪廓的平均算術(shù)偏差(即在基本長度內(nèi),被測輪廓上各點至輪廓中線距離總和的平均值);Rz為不平度平均高度。本次測試采用Ra,具體數(shù)據(jù)見表3。由表3可看出,3<Ra<5,大致相當于?5的半光等級。事實證明,在不產(chǎn)生磨蝕的情況下,長期的水流沖刷有助于光潔度的提高。2.3葉片損傷分析2.3.1葉片滲透法檢測采用“著色滲透探傷法”對14個葉片進行無損檢測,重點檢測了2號、5號、12號葉片。滲透法簡單易行,顯示直觀,對光潔表面靈敏度高,可發(fā)現(xiàn)間隙為0.4μm的微小缺陷。檢測結(jié)果見表4。2.3.2疲勞損傷產(chǎn)生的原因混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的裂紋通常發(fā)生在以下應(yīng)力集中區(qū)域:葉片與上冠、下環(huán)交接處;葉片進水邊靠下環(huán)急流轉(zhuǎn)彎處;葉片出水邊外緣下部;葉片背面中部;上冠、下環(huán)葉片間流道等。無損檢測表明安康電廠水輪機轉(zhuǎn)輪的裂紋多產(chǎn)生于葉片進水邊頭部、背面及葉片與上冠交接處等區(qū)域,且在轉(zhuǎn)輪運行多年以后才產(chǎn)生,應(yīng)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(cè)延伸發(fā)展。金屬材料的疲勞破壞在交變載荷作用下逐漸累積損傷,產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展,直至最后的破壞過程,大多數(shù)機械和其它工程結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)的塑性應(yīng)變是形成疲勞裂紋的基本原因。金屬材料受載超過屈服極限后,將產(chǎn)生塑性變形,此時,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)力集中部位卻進入塑性狀態(tài),從而產(chǎn)生疲勞裂紋。安康電廠3號機組轉(zhuǎn)輪大致如此。尤其是長期的低負荷、在振動區(qū)域的運行使葉片(尤其是葉片頭部)在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋并加劇其發(fā)展。2.4葉片和流道的氣蝕問題混流式水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕的主要部位為:葉片背面下部偏向出水邊、下環(huán)處及下環(huán)內(nèi)表面等部位。安康電廠3號水輪機轉(zhuǎn)輪氣蝕主要發(fā)生在兩個葉片與上冠結(jié)合的流道處,靠近前一個葉片的背面,并非通常的氣蝕區(qū)域。雖然葉片背面易形成負壓,但葉片材質(zhì)為0Cr13Ni6Mo不銹鋼,抗氣蝕磨損能力強,故在葉片上未產(chǎn)生氣蝕;而上冠材質(zhì)為20SiMn,抗氣蝕能力較差,在葉片與上冠結(jié)合流道處產(chǎn)生負壓時,形成了氣蝕,尤其在低負荷、小流量工況下,其氣蝕更為嚴重。具體氣蝕部位見示意圖1。流道的氣蝕檢查表明,3號～4號、11號～12號、13號～14號流道間的氣蝕輕微,其余流道則氣蝕嚴重。通過對流道相應(yīng)點開口尺寸的測量,發(fā)現(xiàn)氣蝕嚴重的流道開口尺寸與氣蝕輕微流道的開口尺寸有差異,這是造成二者氣蝕不同的重要原因。不銹鋼焊條補焊過的氣蝕區(qū)域,經(jīng)過一個周期的運行,補焊層保存完好,表明所用焊條能達到抗氣蝕要求,可繼續(xù)采用此方法修補氣蝕區(qū)。尾水管邊壁的氣蝕較以前相比大大減輕,主要是減少了低負荷運行工況,基本消除了空腔氣蝕的結(jié)果。采用不銹鋼焊條補焊后可完全達到抗氣蝕要求,也可采用高強度抗磨噴涂材料進行噴涂。3c、p元素含量的影響0Cr13Ni6Mo是低碳合金高強度不銹鋼,所謂合金鋼,就是為了改善鋼的性能加入一種或幾種合金元素所制得的鋼,目前常用的合金元素有鉻、鎳、錳、鉬、硅、鋁、硼、鎢、釩、鈦等。低碳鋼含碳量小于0.25%,此外,還有少量的P、S、Mn、Si等雜質(zhì),各元素對鋼的性能影響不同。C是鋼中的主要元素,對鋼的性能影響最大,隨著含碳量的增加,鋼的強度和硬度增加,塑性和韌性下降。因為含碳量愈多,鋼中珠光體愈多,鐵素體愈少,珠光體的強度和硬度都比鐵素體高,而塑性和韌性則都較鐵素體低。磷溶于鐵素體使鋼的強度、硬度增加,塑性和韌性降低,具有“冷脆性”,其含量必須控制;硫在鋼中與鐵化合生成FeS,FeS與鐵形成共晶體,其熔點為985℃,多存在于晶界,當鋼在1000～1200℃進行鍛造或軋制時,由于共晶體熔化而使晶粒分離,導(dǎo)致鋼沿晶界開裂,具有“熱脆性”,硫的含量也必須控制;硅溶于鐵素體中,使鋼的強度、硬度增加;錳能溶于鐵素體,也能溶于滲碳體,使鋼的強度、硬度增加,錳還與硫化合形成MnS,從而減少硫?qū)︿摰奈：ψ饔?。一般情況下,硅和錳的含量均很少,故對鋼的性能影響不大。3號轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)化學(xué)成份分析表明,該材質(zhì)中C、P元素含量超過正常標準要求,其中,C元素含量為0.36%,是標準的4.5倍;P元素含量為0.041%,是標準的1.2倍。而C、P均增加鋼的強度及硬度,降低了塑性和韌性,其含量必須嚴格控制。分析認為,C、P的超標(尤其是C)是轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的內(nèi)在原因。對此的處理措施也只能是更換符合現(xiàn)場條件及有關(guān)材料標準的新型轉(zhuǎn)輪。4氣蝕現(xiàn)象的解決(1)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的內(nèi)因是C、P元素含量超標,外因是長期的疲勞破壞所致。現(xiàn)場條件允許時,建議對2號、5號及12號葉片的裂紋進行處理,處理工藝嚴格按照原制造廠提供的裂紋處理工藝要求,處理前對處理部位進行測型制模,處理后要用模板檢查修復(fù),以保證翼型的良好。對其它葉片的細小裂紋可不做處理,但應(yīng)做好記錄以便觀察其發(fā)展。(2)氣孔、縮孔為鑄造缺陷,建議采用膠粘涂層(填充環(huán)氧樹脂型或填充橡膠型)