某水电厂转轮叶片开裂分析及预防*

杨佩旭，赵朝友，钱亚勇，周云飞

(甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

水轮机叶片叶型是空间变截面的曲面形状，厚薄界面变化大。 转轮通常采用铸造成型，转轮叶片与上冠、下冠通过焊接形式连接于一体[1]。 由于水流的不稳定及复杂的运行工况，使得叶片产生振动，进而使转轮的上冠、下冠与叶片焊接区域附近易产生规律性和非规律性裂纹[2]，导致机组运行故障，造成较大的经济损失危及设备安全运行。 笔者重点针对转轮叶片开裂现象，对叶片裂纹形成原因进行初步分析，得出转轮焊缝的最优无损检测方法，为水电厂转轮叶片开裂及预防提供技术支持。

1 背景介绍

某水电厂5 号水轮发电机组1973 年投运，1999～2000 年整机完成增容改造，水轮机型号HL228-LJ-588，由法国阿尔斯通公司制造，机组年运行时间近5000 h。 增容改造后分别于2005、2011、2016 年进行三次A 级检修、三次B 级和十次C 级检修，检修期间多次发现裂纹，在2016 年11 月A 修中发现11 条裂纹，叶片材质为ZGOCr13Ni4Mo。

叶片表面气蚀严重且气蚀呈链状分布，大部分叶片已形成沟槽，个别叶片趋向形成沟槽；裂纹分别为沿母材开裂及沿焊缝热影响区开裂。

如图1、2 所示。 ＃9 叶片裂纹在出水边焊缝热影响区起裂，沿热影响区向挡水环与叶身连接角焊缝延伸，起裂处存在尖锐沟槽。

图1 ＃9 叶片宏观形貌

图2 ＃12 叶片宏观形貌

＃12 叶片出水边母材处局部出现尖锐沟槽，形成应力集中点；转轮运行过程中受气泡破裂、尖锐沟槽等因素影响，加之叶身处于复杂应力工况，裂纹在应力集中处起裂并向叶身母材扩展。

2 叶片开裂分析

2.1 光谱分析

对叶片母材及焊缝熔敷金属采用ARL4460 台式光谱仪进行化学成分分析，检测结果见表1、2，由分析结果可知，叶片母材及焊缝熔敷金属化学成分中各元素含量满足标准要求。 叶片材质为ZG0Cr13 Ni4Mo，焊条牌号为E309。

表1 叶片母材光谱分析/%

表2 叶片熔敷金属光谱分析/%

2.2 微观组织分析

叶片材料属于马氏体不锈钢，含有较高的Cr 元素，在热处理过程中易出现高温铁素体，影响材料的性能。 从图3 所示的金相图片中可以看出，＃9 叶片熔敷金属在200 倍时可以观察到有较密集的夹杂物存在，破坏了金属基体的连续性，缩小了真正的承担载荷的有效面积，同时产生缺口作用，导致应力集中，由于运行工况使得叶片处于复杂的应力状态，金属处于脆性状态，可能导致材料的塑性及韧性偏低。 另外，＃12 叶片中马氏体粗大晶界脆化，存在贫碳区。当贫碳区的分布方向与拉应力方向垂直，会造成叶片的损坏。

图3 金相检验

2.3 裂纹成因分析

叶片出水边母材处局部出现尖锐沟槽，形成应力集中点；转轮运行过程中因气泡破裂、尖锐沟槽等因素，叶身处于高周脉动应力工况，且出水边处于高周脉动峰值应力状态，裂纹在应力集中处起裂，裂纹沿着叶身强度或结构薄弱区域向进水侧扩展。

3 预防措施

常规表面无损检测可发现表面及近表面缺陷，无法检测出叶片及焊缝内部缺陷。 叶片母材及焊缝的埋藏性缺陷危害比较大，转轮叶片结构较复杂，不适合射线检测，应采用超声波检测。

3.1 超声波检测

3.1.1 探头选择

水轮机叶片及焊缝为粗晶铸钢材料，超声型号衰减较大[3]，为提高检测信噪比及缺陷检出率，应当选取窄脉冲、低频率的纵波斜探头。

3.1.2 检测方法

对叶片及其与上冠、下环的焊缝进行超声波检测，检测方法如图4 所示。 叶片与上冠焊缝相对较宽，为避免漏检，应将探头平行于焊缝进行扫查，此探头外观结构应与焊缝结构相匹配，保证耦合良好。 探头的移动速度不允许超过80 mm/s，提高6 dB 进行扫查，评定时降低6 dB，探头移动要有重叠，至少为10%晶片的宽度尺寸，确保扫查到整个焊缝体积[4]。

图4 检测方法示意图

3.1.3 缺陷评定

由于叶片属于一体铸造成型部件，不可避免会产生铸造缺陷，如气孔、疏松等。 叶片焊缝通常采用马氏体或奥氏体焊条，此类焊缝焊接残余应力较大，易产生焊接裂纹。 因此在超声检测时，通常在焊后24 h进行探伤作业，避免此类缺陷漏检。 具体缺陷评定需在满足质量标准要求的前提下进行，结合工艺特性、超声波形、缺陷类型及底波反射情况进行综合评定。

3.2 加强设备技术监督

(1) 金属技术监督通过对受监部件的检测和诊断，及时了解并掌握金属部件的质量状况，防止设备设计、制造、安装中出现的与金属材料相关的问题以及运行中因材料老化、性能下降等因素引起的各类事故，从而减少设备非计划停运的次数和时间，提高设备安全运行的可靠性，延长设备的使用寿命。

(2) 对新建及改造机组开展技术监督是工程建设的重要一环，技术人员通过技术资料审阅、试验见证、现场检查等方式，开展全面的设备质量监督与工程隐患排查，做到关口前移、防微杜渐。

4 结 论

转轮运行过程中因受气泡破裂、尖锐沟槽等因素作用，叶身处于高周脉动应力工况，且出水边处于高周脉动峰值应力状态，裂纹在应力集中处起裂并沿着叶身强度或结构薄弱区域向进水侧扩展，最终造成叶片开裂。

(1) 水轮机叶片及焊缝为粗晶铸钢材料，超声型号衰减较大，为提高检测信噪比及缺陷检出率，应当选取窄脉冲、低频率的纵波斜探头。

(2) 大量资料证实，造成叶片开裂失效的主要形式为内应力和工作应力[5]。 内应力主要来源于检修维护期间的焊接残余应力，残余应力会大幅度降低叶片与转轮的抗疲劳强度；工作应力主要与叶片的工作环境有关。

(3) 叶片材质为马氏体不锈钢(ZGOCr13Ni4 Mo)，上冠材质为ZG20SiMn。 叶片与上冠及下环焊缝连接处多采用马氏体不锈钢焊条连接。 焊缝组织以马氏体或奥氏体为主，此类马氏体钢焊接接头存在冷裂和脆化现象，焊接残余应力较大。 此类焊接缺陷危害较大，多以纵向裂纹为主，在检修过程中，无法通过表面检测手段将其检出。

(4) 加强对新建及改造机组开展技术监督，开展全面的设备质量监督与工程隐患排查。 并根据检测结果制定相应处理措施，以保证铸造、焊接质量，防止设备“带病上岗”，对机组安全运行意义重大。