紫坪铺电厂转轮缺陷分析及处理

方戊强

四川省紫坪铺开发有限责任公司 四川成都 610091

1 概述

紫坪铺电厂位于四川省都江堰市，系岷江上游干流第五级电站。电站设计规模为760MW，安装有4台单机容量为190MW的水轮发电机组。水轮机采用俄罗斯列宁格勒金属工厂分包生产的HLPO140-LJ-485型水轮机转轮。

紫坪铺水电厂首台机组于2005年投产，至今已运行14年，4台机组均已经过大修。在机组检修修中，对转轮进行多次裂纹、汽蚀处理。在转轮裂纹、汽蚀处理位置的后续检查中，未发现新缺陷，处理效果良好。

2 紫坪铺电厂转轮介绍

紫坪铺电厂转轮共11个叶片，进口直径4850mm，出口直径4807mm，高度2907mm。最高水头132．76m，最低水头68．4m。转轮采用铸焊结构，上冠、叶片、下环材质均为ZG08Cr15Ni4CuMo不锈钢。机组设计有主轴中心孔补气装置，顶盖真空破坏阀装置，以减少过流部件受到的汽蚀伤害。

3 紫坪铺电厂主要缺陷分析及处理

3.1 转轮叶片钝边（叶片根部未全部焊透）

转轮上冠、下环、叶片单独制造，然后焊接组装，钝边为转轮加工时留下的隐患。钝边导致转轮工作时相应叶片焊缝受到更大的应力，更容易产生裂纹。

2012年11月，1#机组检修中，对转轮叶片进行渗透检测（PT）/磁粉检测（MT）检测，在11号叶片出水口背水面距根部870mm处发现3mm裂纹一处，经仔细观察确认裂纹位置有轻微渗水现象；用角磨机将裂纹处打磨3mm，并对该裂纹处再次进行磁粉检测（MT）探伤，裂纹出现扩大趋势，长度从3mm延长至5mm，渗水量明显增大，出现小股水流外喷现象，裂纹处冷却到常温后缺陷部位重新回到缓慢渗水状态。超声波检测结果显示在离出水边根部800mm处到进水边200mm区域（长度在1450mm）内存在未焊透即钝边。

3.2 处理工艺

在不伤及母材的情况，对该裂纹进行打磨，打磨至坡口位置，至PT探伤检测无裂纹。对出现的裂纹进行打磨，在不伤及母材的情况，打磨至坡口位置。

选用A042（JWE309MoL-16）3．2mm超低碳不锈钢焊条进行补焊。焊条使用前在保温箱内300-350℃环境下保温烘干2小时以上。焊条从烘箱内取出放置于100-150℃保温桶内，随用随取。

采用氧气乙炔加热方式对需补焊位置及周围200mm范围进行局部加热，加热温度不低于100℃，在焊接过程中必须随时监测、控制加热部位温度。

加热完成后进行补焊工作，焊接电流控制100-130A内，焊接时不得随意引弧，在需补焊的位置引弧，避免对叶片造成损伤。由于钝边较长，采用由两端向中间方向补焊，每次补焊长不超过150mm。每焊完一层及时用小风铲（或榔头）沿焊缝快速、稠密往返敲击3次以上，对敲击力度加以控制防止将焊缝震裂，消除应力。再次补焊前应经焊缝表面清理干净，确保焊缝无裂纹、夹渣、气等缺陷。

补焊完成后对应持续监测加热区域温度，使用石棉布保温1小时以上，必要时可使用氧气乙炔加热。焊缝冷却后，再进行打磨修圆处理。

3.3 裂纹

转轮工作时，在高压水和离心力作用下，转轮叶片高应力主要分布在叶片迎水面进水变靠近上冠处、叶片迎水面出水边中下部、叶片出水边背水面中下部。多年来，紫坪铺电厂转轮裂纹分布，也正处于这些区域内。由此可判断，高应力作用是导致裂纹产生的原因之一。

铸造气孔、砂眼等缺陷及焊缝缺陷在外部力量影响下也会产生裂纹。

机组运行中，水力振动也会导致焊缝金属疲劳，产生裂纹。当机组带飞设计工况或过度工况时，水轮机工况恶劣，水力振动对转轮损伤尤为突出。

紫坪铺电厂转轮未发现长裂纹，裂纹的处理工艺同上。

3.4 汽蚀

汽蚀是一种复杂的物理与化学现象，是当流道中的水局部压力下降至临界压力（一般接近汽化压力）时，水中气核成长为汽泡，汽泡的聚积、流动、分裂、溃灭过程的总称。转轮汽蚀主要包括：（1）翼型气蚀：发生在转轮叶片背面低压区上的一种气蚀。（2）间隙气蚀：当水流通过狭小通道或缝隙时，若其局部流速升高导致压力降低到一定程度时所发生的一种气蚀。（3）局部气蚀：水流绕流不平表面时由于局部压力降低所发生的一种气蚀。（4）空腔气蚀：反击式水轮机在非设计工况下运行时，转轮出口水流具有一定的圆周分量，水流在尾水管中产生旋转，旋转水流的中心产生涡带。涡带的中心形成很大的真空。真空涡带周期性的扫射尾水管管壁，造成尾水管管壁破坏的一种气蚀。

水轮机转轮在运行一定时期后，转轮叶片会存在不同程度的汽蚀缺陷，水轮机转轮发生汽蚀后应及时处理，否则汽蚀面积会加速增长。机组在振动去运行更容易产生汽蚀。机组运行期间应尽量避免振动区。使水轮机效率降低，并严重影响水轮机组的安全运行。紫坪铺电厂转轮汽蚀主要分布在叶片背水面中下部靠仅焊缝处、叶片与上冠焊缝背水面靠进水边处、叶片进水变边上。

3.5 汽蚀处理工艺

对于片状汽蚀，补焊前将汽蚀位置表面将蜂窝状的疏松打磨干净，油污使用酒精或丙酮清洗，（特别注意环境挥发的酒精或丙酮的浓度，防止明火引燃发生严重安全事故）。水分用烘枪烘烤去除。

对于汽蚀产生的分散点状蜂窝孔用手枪钻或电动磨具打磨光疏松，尽量不进行面积打磨，紧进行点状打磨或钻，将蜂窝状的疏松打磨掉即可（此蜂窝状疏松补焊时不能保证完全融化融入焊缝）。

其它处理工艺同上。

4 结语

通过对紫坪铺电厂机组转轮裂纹、汽蚀的产生原因分析，根据不同水头，合理调节、优化处理机组运行方式，让机组避开在振动去长时间运行，尽量在设计最优工况下运行，可有效减少裂纹、汽蚀的产生。对与发现裂纹、汽蚀及时处理，将事故在萌芽状态中处理掉，保证机组的安全运行。