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【摘 要】信息化程度的加深，使得人们对于电力需求逐渐增多，为了满足人们的电力需要，水电厂成为了供电厂的重要构成，而水涡轮裂纹的出现，干扰了整个水电厂的运作，阻碍了水电厂的发展。因此，本文先分析了水电厂中水涡轮出现裂纹的原因，然后针对其裂纹原因提出了有效的处理策略，以此保证水电厂正常运作。
【关键词】水电厂；水涡轮；裂纹；处理策略
前言：水涡轮可谓是整台机器的核心部件，其为机组的正常工作提供了动力，属于机组的驱动系统。另外，水涡轮还能够调节流量，确保PE管的回收速度始终处在均匀状态。但是近些年，水涡轮易出现裂纹问题，其质量堪忧，严重影响了相关设备的正常运行，不利于水电厂的正常运作。因而研究其裂纹原因极为必要。
一、水电厂水涡轮裂纹原因分析
（一）现场检测
本文所述水涡轮裂纹问题是依照五强溪水电厂的水轮发电机组中的水涡轮进行的。五强溪水电厂的发电机组自建成投产以来，其4号机与5号机的设备存在水涡轮裂纹问题，并且裂纹大多数在叶片的出水边和上冠连接处，并且大体为贯穿性裂纹。通过现场检测发现，其裂纹长度如表1所示。
据目测来看，沿着叶片的方向存在一个长约0.5-1.5mm的裂口，并且部分叶片之间存在着1mm错位；叶片的断口呈现出黑色或是红褐色腐蚀状，在叶片的出水边有少量汽蚀，呈点状，未看见明显的磨损现象；水涡轮的叶片的背部裂纹长度比正面长；叶片背面的裂纹呈直线状，其断口十分锋利；而叶片正面的裂纹有分岔问题，其断口为锯齿状。
（二）实验研究
为了对水涡轮裂纹出现的原因进行细致的分析，为其处理办法提供有效的决策依据，有关人员在5号叶片的裂纹位置截取了10cm*3cm的试块，共两块，并送到德国的Voith Siemens總部进行全面试验分析，试验结果如下：
首先，通过对试块进行机械性能测试，其硬度测试结果：叶片区域的硬度为270Hv30，焊缝区域的硬度为305Hv30；其强度测试结果为：屈服强度为719MPa（设计值>550MPa）、拉伸强度为877MPa（设计值>750MPa）、延伸率为20.1%（设计者>17%）、断面收缩率为60.6%；其强度试验结果：冲击韧性为74J。
其次，对裂纹的表面结构进行分析，从裂纹的表面来看，此裂纹属于疲劳裂纹，因为试块的表面光滑，带有明显疲劳纹；从裂纹的延伸方向上看，存在许多小孔，但是这些小孔并不会对裂纹的产生起到影响作用[1]。另外，裂纹是由叶片背面的圆角处开始裂开。
然后，对水涡轮裂纹进行了金相分析，从大体上看，裂纹是从一个小包容物开始开裂，并且此包容物大约有5mm长，通过仔细检查发现，这个包容物是焊接时的熔渣。而且，母材存在的小孔不会使疲劳裂纹延长。通过对焊材进行金相组织分析，试块的焊接金属为马氏体结构，晶粒的边界存在少量的碳化物，不含有 铁素与初生马氏体。通过对热影响区进行金相组织分析，试块的热影响区的金属为马氏结构体，不存在 铁素与初生马氏体，但是其晶体结构为典型马氏体中不锈钢铸钢。
最后，通过取样分析发现，水涡轮裂纹不存在因铸造或焊接等出现应力上升因素；不存在硬度超标、冲击韧性差等金属材料缺陷；各项机械性能指标与标准指标相符；裂纹延伸率不高，无脆断痕迹。因此，出现裂纹的原因与材料、尺寸、工艺无关。
（三）有限元计算分析
首先，对原形几何形状进行有限元分析，两块试块的最大等效力分别为100%与111%；其次，对叶片及其上冠出水边进行单元模型分析，两块试块的最大等效力分别为104%与117%；然后通过对其进行固有频率进行分析发现，在裂纹发生部位存在高平均应力、在叶片出水边和上冠连接位置的裂纹可能是因振动产生的应力集中、水流在经过导水叶时出现的激振频率接近27.7Hz。
二、水电厂水涡轮裂纹处理策略
（一）焊前处理
第一，缺陷标示。按照超声波探伤与渗透探伤的结果，要将水涡轮所有要挖除的区域标记出，范围在围绕裂纹端部8cm以上的区域，从而得到较为平缓的焊接过渡区。
第二，碳刨与坡口的打磨。焊接人员应从标示顶部进行碳刨作业，与此同时要确保刨出的坡口与焊接技术要求相一致。因为上冠空间有限，所以在实际碳刨作业中要依照坡口角度的具体情况予以适当调整[2]。在碳刨作业结束后，打磨出1mm厚的坡口表面，同时要将表面的渗碳层进行清除处理。在坡口打磨结束后进行PT检验，合格后继续其他处理作业。
第三，预热。预热的温度范围在100℃-150℃，预热的焊接范围是由坡口边缘至10cm范围以上的区域，预热方式为氧乙炔火焰进行加热。
（二）焊接与打磨
首先，要使用引弧板或是熄弧板进行焊接，并且每个起弧点、熄弧点要在引弧板上或是破口外部。同时要保证引弧板材质和工件一致，若是不一致要保证焊接表面的堆焊材料一致。
其次，要记录好焊接参数及顺序。焊接参数要对照焊接工艺指导书的要求，确保相符；并且从大坡口的某侧至内部记做区域①、区域③，而小坡口记做区域②。具体焊接顺序为焊接区域①→背部清根→PT检验→焊接区域②→焊接区域③。之后要在每一面的焊层上进行回火焊道，进而提高热影响区所具有的韧性。
最后，进行打磨作业。要对焊缝表面进行打磨，打磨至光滑并与母材处于平齐状态，圆角要与图纸要求相一致。
（三）无损检验及焊后热处理
在进行无损检验时，要分别进行PT检验与UT检验。其中PT检验是对打磨区域进行检验，以此确保不存在线性显示以及尺寸低于4.8mm的圆形显示。而UT检验时保持焊接后的水涡轮叶片不存在裂纹、未熔合以及未焊透问题，保证没有高于19mm的长度裂纹缺陷。
在进行焊后热处理时，要将温度增加到550℃-660℃，但是此种方式会使转轮与连接法兰的温度超高，所以总部决定将此处理方式替换成加焊回火层。此技术能够保证焊缝具有退火效果，在对最外层进行焊接时，也可使用此种方式，进行退火[3]。值得注意的是，在最后要将回火层全部打磨掉，并做清除处理。
（四）转轮改进处理
此步骤是在叶片出水边及上冠连接位置安装三角钢板，将其作为叶片延伸，以此降低集中应力对裂纹部位施加的所用力。具体如图1所示。并且此种方法已在德国某水电厂得到了较高的使用效果，但是此处理方式在我国还有待验证。
结束语：综上所述，通过对水电厂的水涡轮裂纹进行细致的分析研究发现，裂纹出现的主要原因是集中荷载力与水流共振造成的，同时还存在焊接残余应力的因素。在对焊缝处理时，可以通过再次焊接热处理或是加装应力释放的三角钢板方式予以治理，从而保证水电厂设备能够正常运行。
（作者单位：广西桂冠电力股份有限公司检修分公司）
【关键词】水电厂；水涡轮；裂纹；处理策略
前言：水涡轮可谓是整台机器的核心部件，其为机组的正常工作提供了动力，属于机组的驱动系统。另外，水涡轮还能够调节流量，确保PE管的回收速度始终处在均匀状态。但是近些年，水涡轮易出现裂纹问题，其质量堪忧，严重影响了相关设备的正常运行，不利于水电厂的正常运作。因而研究其裂纹原因极为必要。
一、水电厂水涡轮裂纹原因分析
（一）现场检测
本文所述水涡轮裂纹问题是依照五强溪水电厂的水轮发电机组中的水涡轮进行的。五强溪水电厂的发电机组自建成投产以来，其4号机与5号机的设备存在水涡轮裂纹问题，并且裂纹大多数在叶片的出水边和上冠连接处，并且大体为贯穿性裂纹。通过现场检测发现，其裂纹长度如表1所示。
据目测来看，沿着叶片的方向存在一个长约0.5-1.5mm的裂口，并且部分叶片之间存在着1mm错位；叶片的断口呈现出黑色或是红褐色腐蚀状，在叶片的出水边有少量汽蚀，呈点状，未看见明显的磨损现象；水涡轮的叶片的背部裂纹长度比正面长；叶片背面的裂纹呈直线状，其断口十分锋利；而叶片正面的裂纹有分岔问题，其断口为锯齿状。
（二）实验研究
为了对水涡轮裂纹出现的原因进行细致的分析，为其处理办法提供有效的决策依据，有关人员在5号叶片的裂纹位置截取了10cm*3cm的试块，共两块，并送到德国的Voith Siemens總部进行全面试验分析，试验结果如下：
首先，通过对试块进行机械性能测试，其硬度测试结果：叶片区域的硬度为270Hv30，焊缝区域的硬度为305Hv30；其强度测试结果为：屈服强度为719MPa（设计值>550MPa）、拉伸强度为877MPa（设计值>750MPa）、延伸率为20.1%（设计者>17%）、断面收缩率为60.6%；其强度试验结果：冲击韧性为74J。
其次，对裂纹的表面结构进行分析，从裂纹的表面来看，此裂纹属于疲劳裂纹，因为试块的表面光滑，带有明显疲劳纹；从裂纹的延伸方向上看，存在许多小孔，但是这些小孔并不会对裂纹的产生起到影响作用[1]。另外，裂纹是由叶片背面的圆角处开始裂开。
然后，对水涡轮裂纹进行了金相分析，从大体上看，裂纹是从一个小包容物开始开裂，并且此包容物大约有5mm长，通过仔细检查发现，这个包容物是焊接时的熔渣。而且，母材存在的小孔不会使疲劳裂纹延长。通过对焊材进行金相组织分析，试块的焊接金属为马氏体结构，晶粒的边界存在少量的碳化物，不含有 铁素与初生马氏体。通过对热影响区进行金相组织分析，试块的热影响区的金属为马氏结构体，不存在 铁素与初生马氏体，但是其晶体结构为典型马氏体中不锈钢铸钢。
最后，通过取样分析发现，水涡轮裂纹不存在因铸造或焊接等出现应力上升因素；不存在硬度超标、冲击韧性差等金属材料缺陷；各项机械性能指标与标准指标相符；裂纹延伸率不高，无脆断痕迹。因此，出现裂纹的原因与材料、尺寸、工艺无关。
（三）有限元计算分析
首先，对原形几何形状进行有限元分析，两块试块的最大等效力分别为100%与111%；其次，对叶片及其上冠出水边进行单元模型分析，两块试块的最大等效力分别为104%与117%；然后通过对其进行固有频率进行分析发现，在裂纹发生部位存在高平均应力、在叶片出水边和上冠连接位置的裂纹可能是因振动产生的应力集中、水流在经过导水叶时出现的激振频率接近27.7Hz。
二、水电厂水涡轮裂纹处理策略
（一）焊前处理
第一，缺陷标示。按照超声波探伤与渗透探伤的结果，要将水涡轮所有要挖除的区域标记出，范围在围绕裂纹端部8cm以上的区域，从而得到较为平缓的焊接过渡区。
第二，碳刨与坡口的打磨。焊接人员应从标示顶部进行碳刨作业，与此同时要确保刨出的坡口与焊接技术要求相一致。因为上冠空间有限，所以在实际碳刨作业中要依照坡口角度的具体情况予以适当调整[2]。在碳刨作业结束后，打磨出1mm厚的坡口表面，同时要将表面的渗碳层进行清除处理。在坡口打磨结束后进行PT检验，合格后继续其他处理作业。
第三，预热。预热的温度范围在100℃-150℃，预热的焊接范围是由坡口边缘至10cm范围以上的区域，预热方式为氧乙炔火焰进行加热。
（二）焊接与打磨
首先，要使用引弧板或是熄弧板进行焊接，并且每个起弧点、熄弧点要在引弧板上或是破口外部。同时要保证引弧板材质和工件一致，若是不一致要保证焊接表面的堆焊材料一致。
其次，要记录好焊接参数及顺序。焊接参数要对照焊接工艺指导书的要求，确保相符；并且从大坡口的某侧至内部记做区域①、区域③，而小坡口记做区域②。具体焊接顺序为焊接区域①→背部清根→PT检验→焊接区域②→焊接区域③。之后要在每一面的焊层上进行回火焊道，进而提高热影响区所具有的韧性。
最后，进行打磨作业。要对焊缝表面进行打磨，打磨至光滑并与母材处于平齐状态，圆角要与图纸要求相一致。
（三）无损检验及焊后热处理
在进行无损检验时，要分别进行PT检验与UT检验。其中PT检验是对打磨区域进行检验，以此确保不存在线性显示以及尺寸低于4.8mm的圆形显示。而UT检验时保持焊接后的水涡轮叶片不存在裂纹、未熔合以及未焊透问题，保证没有高于19mm的长度裂纹缺陷。
在进行焊后热处理时，要将温度增加到550℃-660℃，但是此种方式会使转轮与连接法兰的温度超高，所以总部决定将此处理方式替换成加焊回火层。此技术能够保证焊缝具有退火效果，在对最外层进行焊接时，也可使用此种方式，进行退火[3]。值得注意的是，在最后要将回火层全部打磨掉，并做清除处理。
（四）转轮改进处理
此步骤是在叶片出水边及上冠连接位置安装三角钢板，将其作为叶片延伸，以此降低集中应力对裂纹部位施加的所用力。具体如图1所示。并且此种方法已在德国某水电厂得到了较高的使用效果，但是此处理方式在我国还有待验证。
结束语：综上所述，通过对水电厂的水涡轮裂纹进行细致的分析研究发现，裂纹出现的主要原因是集中荷载力与水流共振造成的，同时还存在焊接残余应力的因素。在对焊缝处理时，可以通过再次焊接热处理或是加装应力释放的三角钢板方式予以治理，从而保证水电厂设备能够正常运行。
（作者单位：广西桂冠电力股份有限公司检修分公司）