浅析水轮机转轮叶片的补强处理

姜传鹏 王志新

摘要：本文通过对于水轮机转轮叶片进行有限元的计算分析，从而得出水轮机转轮叶片裂纹产生的原因，并由此分析得出包括裂纹金属无损探伤在内的水轮机转轮叶片的补强处理方法。

关键词：水轮机；转轮叶片；补强处理

作为发电厂的支柱性机械，水轮机叶片一旦频繁地产生裂纹就会对于整个发电的机组安全造成威胁，与此同时也不可避免的带来财产上的损失。由此可见，严格分析水轮机转轮叶片裂纹的产生原因、针对有问题的水轮机叶片进行损伤检查后和补强处理，从而减少水轮机转轮出现裂纹或其他情况影响发电厂正常工作。

1.轮机转轮叶片问题分析

1.1 水轮机转轮叶片受力集中

通过有限元计算的方式可以得出，水轮机的转轮受到压力和离心力两方面的作用，这两方面力主要作用的位置正是水轮机转轮的叶片位置，相当一部分的应力是沿着叶片周边进行分布的，叶片靠近上冠的位置往往受力最大容易出现裂纹情况。

1.2水轮机转轮叶片铸造和焊接缺陷

水轮机转轮叶片铸造的气孔和焊接的短板都是可能成为裂纹源的主要对象，两者本身就在构造上尤其脆弱性，加之外力的作用，上环下环的厚度不一致，导致在冷却、加热的过程中出现裂缝。

1.3水轮机转轮叶片不合理运载

水轮机额转轮叶片由于长期不合理的高速运转，或是大量时间的超负荷、震动在负荷线上会让水轮机转轮叶片在外力的作用下产生裂纹以及导致原有裂纹情况更深。

1.4水轮机转轮叶片设计问题

大多数水轮机叶片和设计的过程中上环与下环的过渡角度不够合理，角度普遍较小导致了外力更加集中与水轮机叶片当中，导致了裂纹和其他不安全因素的产生。

2.水轮机转轮叶片的补强处理

2.1防止水轮机转轮叶片裂纹延伸处理

想要进行补强处理，首先需要控制水轮机转轮叶片的裂纹延伸情况，一般而言裂纹的发生位置即为两端受力最大的位置，一旦在热力或者更大外力下会更加延伸，为了保值补强处理的质量必须先要在裂纹的两边进行打孔处理，孔的大侠控制在直径五毫米左右，在钻孔的过程中一旦发现有新的裂纹出现就应当停止打孔或者增大打孔的深度至七毫米。从而为补强处理做出首要的保证。

2.2水轮机转轮叶片裂纹清理

在补强处理前还需要对于水轮机转轮叶片裂纹裂纹进行清理，清理通常采用的方法有以下两种：风铲法和炭风气刨法。风铲的方式铲除裂纹的方式比较传统，产生的坡口更规则，也能保证其质量过关，但是需要的人力资源成本比较高的同时速度有限；炭风气刨法相对于风铲的方式优点更加明显，更可以完成对于比较深刻的裂痕多次清理的任务，更多地是机械的力量，速度也更加快，但是也有其缺点，产生的破口往往渗透有碳层和其它杂质，需要采用非常规的砂轮才能进行磨削。在处理清理好裂纹后，应当使用着色探伤的技术来确认清楚地是否干净，保证补强环节的完整性。

2.3水轮机转轮叶片的补强处理

水轮机转轮叶片的补强处理的热处理部分主要包括两个主要方式，其一是同种材料补强处理。这种方式顾名思义，就是采用与原有材料相似或者相同的材料进行补强，其工艺比较复杂，焊接技术要求比较高。第二种方式被称为奥式冷焊法，冷焊对于焊接技术的要求比较低，需要的时间成本比较低，但是由于其并非同种材料的焊接只能进行补焊，对于水轮机转轮叶片会造成变形等后果。改进主要遵循以下三个步骤：

①水轮机转轮叶片需要达到的预热温度应当控制在200摄氏度以下，这样的温度可以减小对于受理部分钢铁结构组织的压力。

②在补强处理材料的选择方面应当尽量选择与原有材料相同或者相似的材料进行焊接，电流控制在135A左右，不能高于140A，否则容易出现电流过大的情况；电压同样控制在25V即可，每层的温度不能高于200摄氏度，每一层的定型过程中都需要风铲的敲击过程，减少新材料上的补强压力过大，最后一层和已经裂缝的情况下都不需要再进行敲击。

③热力补强处理后，需要有一个回火的环节，即温度下降到100左右时再次加热到600保证其强度。

水轮机转轮叶片的补强处理的冷焊处理部分首先需要保证裂纹的本身已经被清理好，破口已经开好的状态，补强处理当中主要需要遵循以下步骤：

①预热环节。首先对于需要补强的部分地区进行初步预热，方便补强的实施，通常的预热温度控制在125摄氏度左右，对于补充的地区需要采用局部区域预热的方式，通过履带的方式进行加热，而对于不能采用履带加热的部分，可以采用乙炔火焰的外焰进行移动来加热的方式。

②补焊环节。在补强实际操作当中，需要把温度控制在250摄氏度左右，时间不低于一个小时也不能高于两个半小时。推荐采用A系列的焊条进行补焊，进行的同时配合敲击，每多加一層就敲击一次，目的在于减小外力突然作用于同一点上，但是也需要具体问题具体分析，一旦裂痕已经裂穿，就不要进行敲击。

③电流控制环节。补强过程当中的电流控制也很重要，需要控制在国际标准110A以下，电压控制在25V左右，其中每层的温度也不应当高于200摄氏度。同时也贮备一定数量的石棉进行缓冲处理。

④修平环节。在缓冲补强处理好后，使用砂轮和砂纸将补强处理过的区域惊醒修平处理，同时使用着色探伤的方式进行二次核查，确保没有裂纹的存在。

⑤磨光环节。在修平后需要对于补强的部分进行磨光，磨光的同时调整上环和下环的角度，角度的曲线流畅性和表面光洁度都需要达到要求，防止再次裂缝的情况发生。

3.小结

综上所述，由于受力、铸造和焊接多方面的因素导致水轮机转轮叶片裂纹，要更有针对性的对于、水轮机叶片进行损伤检查和补强处理，就需要热处理和冷焊相结合，从而减少水轮机转轮叶片问题，推进发电厂工作顺利开展。

参考文献：

[1]于海艳，杨开黎. 水轮机叶片模拟件的锻造成形工艺研究[J]. 大电机技术，2012，03：60-62.

作者简介：1.姜传鹏，白山发电厂机械工程处，技师，从事金属焊接专业。

2.王志新，白山发电厂机械工程处，工程师，从事机械管理工作。