混流式混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

王大朋

摘要：随着水电厂的快速发展，人们对水电厂各项设备安全性的重视度越来越高。转轮是水电厂混流式水轮机的核心部件，其运行的安全性对水电厂的生产运营有着重要的影响。在水电厂混流式水轮机的实际运行过程中，转轮经常會出现一些问题，例如裂纹、泥沙磨损以及气蚀等，这些都给水电厂的生产造成了很大的隐患。本文主要先对水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因进行分析，进而探讨相应的维修措施。

关键词：混流式水轮机;裂纹原因;维修措施

引言

随着我国经济的不断发展，资源消耗的速度也在不断的加快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。转轮是抽水蓄能电站混流式水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，混流式水轮机转轮作为混流式水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年混流式水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对混流式水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏问题及产生原因分析

裂纹

裂纹是水电厂混流式水轮机转轮常见的破坏现象。调查发现，混流式水轮机在运行一定的时间之后，其转轮都或多或少地会出现一些程度不一的裂纹，其中最容易出现裂纹的地方是转轮叶片与轮毂之间的过渡区，其次还有焊接缝和母材交接的部位、焊接根部受力最为集中的部位等。裂纹的产生不仅会给混流式水轮机的运行带来巨大的隐患，而且还会给水电厂造成严重的损失。裂纹破坏的出现主要有以下几方面的原因。

铸造焊接不足

在转轮的实际运行过程中，当对设备施加一定的外部力量时，砂眼、铸造气孔等的存在会使得转轮产生裂纹。另外，转轮叶片在受冷产生缩孔时会出现松动的情况，这种情况与转轮的上冠及下环的厚度有着重要的关联。在铸造混流式水轮机的转轮时，如果焊接人员没有严格按照焊接工艺的要求进行焊接，或是没有正确应用焊接工艺，都会使得混流式水轮机转轮在焊接缝间或是受热影响区产生裂纹。

工作运行负荷过大或过小

在混流式水轮机转轮运行过程中，如果转轮长时间处于一个过大的运行负荷（即超负荷）或是过小的运行负荷（低负荷）状态下，会导致转轮叶片受力不均，从而出现裂纹。

受力过于集中

混流式水轮机转轮的叶片周围区域是转轮运行过程中的主要受力区，受到水的压力和离心力等的作用。转轮的主要受力区包括叶片出水正面的中部、叶片进水正面靠上冠的部分、叶片出水背面靠近上冠的部分以及叶片和下环的连接区域等。在混流式水轮机转轮的实际运行过程中，上述区域由于受力问题，如受力过度等而出现裂纹。

水电厂混流式水轮机转轮裂纹的维修措施

焊接前的准备

在进行焊接维修前，应做好相关的准备工作，主要有以下几个方面。

标记 相关人员应根据PT探伤接口将需要进行维修的区域标记出来，标记清晰、明显，尤其是裂纹的端头。进而根据裂纹的出现部位、大小等确定具体的维修措施。

设置止裂孔，清除裂纹 止裂孔的设置主要是防止裂纹长度及深度的进一步扩大。接下来便是裂纹的清除工作，一般会采取砂轮机打磨和碳弧气刨两种方式进行。先用间断性的碳弧气刨清除缺陷问题，然后用砂轮机对渗碳层进行打磨，待金属光泽全部展露之后再进行PT检测，以确保裂纹已彻底清除。

制作焊接坡口 在裂纹维修的部位应提前制作焊接坡口，从而确保焊接工作的顺利、有效开展。焊接坡口的坡度一般在45°左右。在此之前，应确保渗碳层已彻底打磨好。

清理杂质 在焊接维修正式开始前，还需使用丙酮对焊接区域的杂质（如水、油、锈）等进行彻底的清除。

焊接修复

焊前预热 在焊接前，应对需要焊接区域的相关范围（一般为150mm）内的母材进预热，不可使预热区域骤然升温，应以均匀的方式，直至其温度达到110℃。当温度达到标准温度时，则焊前预热完成，接下来便可开始进行焊接修复工作。但要注意的是，在焊接过程中应使得母材的温度保持在标准温度的水平;在焊接修复完成后，还须做好保温措施（2h以上）。

焊接材料 在选择焊接材料时，应结合转轮的材料合理进行选择。选好材料后，在使用前还应对其进行烘干，并将其置于110℃的保温箱中，以便随时取用。

焊接方式 旋转直流点焊机是一种常用的焊接方式，这种方式不仅可以减少焊接过程中的飞溅情况，而且还能保证电弧更加稳定。在操作时，直接将电焊条与电源的正极相连，而将转轮与负极相连，然后控制好焊层的厚度，一般为3mm以内，以便减少热裂纹的产生。

焊接过程 在进行焊接时，焊接人员可根据实际情况选择退步焊以及多道焊等方式，严格按照焊接工艺的规范操作进行焊接，从而为焊接提供质量保障。在操作时，焊接人员可采取短弧方式，从而避免出现弧坑。此外，对于穿透性裂纹，不仅要在其正面焊接焊缝，还要在背面进行焊接。应注意的是，焊接人员应在焊接过程中做好焊层焊渣的处理工作，以免影响焊接的质量。

焊接完成 在焊接完成后，应用石棉布铺在焊接区域，从而使其缓慢冷却到室温状态。冷却过后，还须对焊缝表面进行打磨，以避免母材过渡区或是焊缝处出现咬边的情况。最后，还需对焊接部位进行PT检测，从而确保裂纹已维修好。

结束语

转轮是水电厂混流式水轮机设备的核心部件，作为能量转换站，其性能对混流式水轮机的性能有着决定性的影响。由于各方面的原因，混流式水轮机转轮通常会出现不同程度的破坏，从而对混流式水轮机的运行及水电厂的生产造成严重的影响。相关人员应不定期地对混流式水轮机机组进行检查，及时发现混流式水轮机转轮存在的问题，并积极采取维修措施。在进行焊接补焊时，应严格按照操作规范，采取正确的焊接工艺进行，从而提高焊接质量，确保混流式水轮机的正常、安全运行。

参考文献

刘佳文.混流式水轮机转轮裂纹分析与处理[J].华电技术，2015，37（3）：54–55，57，78.

李胜首.浅谈混流式水轮机转轮裂纹的原因及预防措施[J].低碳世界，2017（36）：83–84.

张丽霞.混流式混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制研究[D].北京：清华大学，2010.

李贵桃.水泵混流式水轮机转轮裂纹原因分析及处理[C]//抽水蓄能电站工程建设文集.北京：中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会，2012：3.