论文部分内容阅读
[摘 要]转轮是水轮机的核心部件，而转轮叶片的设计与制造方式，又决定了转轮的品质乃至成败。水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失，因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。本文论述了转轮裂纹产生原因，并介绍了裂纹处理与预防措施。
[关键词]水轮机 疲劳裂纹 叶片
中图分类号：TK730.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0005-01
近几年，水轮机叶片裂纹问题明显增多，各种机型的转轮均出现叶片裂纹。叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键技术难题，引起各方面的高度重视。解决叶片裂纹问题不但能大大提高电站的经济效益和创造巨大社会效益，同时也能为设备制造厂赢得市场，从而带来良好的经济效益。现将个人的对叶片裂纹问题的一些认识和想法阐述如下，愿与同行商榷。
一、叶片裂纹原因分析
1、材料选择问题
叶片裂纹的产生是材料选择问题，目前广泛采用的不锈钢叶片材料0Cr13Ni5Mo的抗疲劳性能不如原叶片材料低合金钢20SiMn。从材料和力学的角度对疲劳破坏的定义是：在循环载荷的作用下，裂纹萌生并长大，最终导致构件发生断裂的破坏过程。构件是否发生疲劳破坏取决于构件所承受的应力场状态和构件的材料状态两大方面因素。
2、水力方面
在水轮机转轮叶片上出现的、规律性裂纹绝大多数都属于疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。从力学及材料力学上来说，疲劳裂纹的出现就是叶片所承受的动应力超过了叶片材料疲劳强度极限的结果。也就是说叶片承受动载荷的能力不足时，将可能出现叶片裂纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷、而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发，这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。
3、水轮机叶片自身刚度不够
大型水轮机转轮的叶片出水边过长，由于厚度较薄，刚度不足。在水流冲击下，叶片出水边发生振动。在叶片出水边的中部，叶片可以通过弹性变形释放应力。但叶片靠近上冠的位置，由于上冠的约束不能发生较大的变形释放应力，故在循环应力作用下，发生局部塑性变形，长期塑性破坏累计的结果，萌生疲劳裂纹，并扩展。即大型转轮叶片裂纹不可避免。
4、设计方面
叶片的设计存在不合理之处，导致叶片本身承受动载荷能力下降，再加之，叶片出水边的不合理设计导致卡门涡与叶片发生共振，巨大的能量导致裂纹迅速产生并发展，对机组造成了不良影响。设计时，就要考虑到可能影响叶片承受动载荷能力的因素。首先，要保证叶片材料的化学成分、机械性能以及承受工作应力的能力符合要求。材料的实际疲劳强度由于受到运行过程中诸多因素的影响，设计时无法准确确定，因此，目前一般通过材料的最大工作应力与材料的屈服强度或极限抗拉强度的相对关系来评判。采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边分布。转轮叶片存在4个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面（压力分布面）靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内。结构设计上，各部件的倒角应适当修圆，临近表面的连接应光滑连续，避免应力集中。
二、裂缝处理措施
1、裂纹无损探伤检查
在大修时对转轮进行无损探伤检查，及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现，但较细小的缺陷和内部的缺陷用无损探伤检查。常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。裂纹集中的部位，由于透照布置比较困难，不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点，一般应采用渗透、磁粉、超声波和金属磁记忆的方法进行无损检测。
2、完善补焊工艺
叶片补焊可采用两种方法，一是同种材料热焊，但是由于补焊焊缝的填充材料和被补焊母材基本一致，因此，在使用过程中出现问题的可能性较小；另一种是奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊焊接过程中不发生相变，且焊缝的塑性较好。因此，该方案可不预热，简化了补焊工艺，避免了铸钢件受到大的热作用，从而减小了被焊件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单，但是补焊金属强度低于母材，且由于不预热冷焊，近缝区的冷却速度较大，不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织，给补焊接头的性能带来不利影响。
3、采用科学的设计加工方法
采用精煉等方法可减少叶片的杂质含量。叶片中铸造缺陷有促进疲劳裂纹萌生和扩展的作用，必须采取有效的方法预防。利用钢板和电渣重熔坯料热弯成型的叶片，不但缺陷少，而且组织致密。叶片的加工应避免应力集中，同时提高叶片表面光洁度和增加叶片进出水边端棱角的圆弧半径，避免疲劳破坏的表面和尖角效应。防止叶片疲劳裂纹的产生不外两方面的措施，一方面改善叶片的应力场状态，即减少动载荷幅值，残余应力和工作应力。另一方面增强叶片的抗疲劳能力，即提高叶片的疲劳极限值。
4、不热处理补焊
引用这种方法修复裂纹时，无疑地使现场的工作量最小，劳动条件相对较好，这对在相对较狭小的工作现场提高工作质量有好处。但是，这样处理后的焊缝将会处于一种高应力水平之中，对接头的疲劳寿命将会有负面影响。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力，可使抗疲劳强度降低80%左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法，最好是能产生残余压应力，比如通过锤击方法来实现，这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1～2倍。
5、裂纹清理及开坡口
裂纹铲除常用两种方法：风铲和炭弧气刨。风铲铲除裂纹所形成的坡口较规则，易于保证焊接质量，但劳动强度大，速度慢，铲头可根据裂纹深度的不同而选用，坡口要求规则平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧气刨可对较深的裂纹进行多次吹割，这种方法操作简便，速度快，但坡口内往往有渗碳层，要用异型砂轮磨削。为了防止过热引起变形和裂纹扩展，炭弧气刨必须间断使用。
6、选择优质的材料
材料的好坏对水轮机叶片的使用质量有着重要的影响，判定金属材料构件是否发生疲劳破坏的标准是，材料承受的应力幅值Δσ是否大于该材料的疲劳极限Δσ。
结语：
裂纹的产生与设计、制造、运行和材料等因素有关，根本原因是叶片局部承受的循环应力幅值超过叶片材料的水下疲劳极限值，而发生的疲劳破坏。不能片面强调其中的一种因素，这样才能达到预期目的。对裂纹产生的原因进行正确的诊断并积极采取一些有针对性的预防措施，有利于提高水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。
参考文献
[1] 王者昌，陈怀宁.水轮机叶片裂纹的产生及对策[J].大电机技术，2003，06：51-57.
[2] 余春明.陆水电厂水轮机叶片裂纹原因分析与处理[J].长江工程职业技术学院学报，2005，04：35-37.
[3] 陈怀宁，王者昌.水轮机叶片裂纹的压应力防护技术[J].水电站机电技术，2003，S1：23-26.
[4] 薛伟，陈昭运.水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究[J].大电机技术，2002，05：42-45.
[5] 戴鼎章，司亮.水轮机转轮叶片裂纹成因及对策分析[J].中国新技术新产品，2011，03：181-182.
[6] 林洪德，张利民.水轮机转轮裂纹的原因及预防措施[J].东方电机，2012，04：49-55.
[关键词]水轮机 疲劳裂纹 叶片
中图分类号：TK730.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0005-01
近几年，水轮机叶片裂纹问题明显增多，各种机型的转轮均出现叶片裂纹。叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键技术难题，引起各方面的高度重视。解决叶片裂纹问题不但能大大提高电站的经济效益和创造巨大社会效益，同时也能为设备制造厂赢得市场，从而带来良好的经济效益。现将个人的对叶片裂纹问题的一些认识和想法阐述如下，愿与同行商榷。
一、叶片裂纹原因分析
1、材料选择问题
叶片裂纹的产生是材料选择问题，目前广泛采用的不锈钢叶片材料0Cr13Ni5Mo的抗疲劳性能不如原叶片材料低合金钢20SiMn。从材料和力学的角度对疲劳破坏的定义是：在循环载荷的作用下，裂纹萌生并长大，最终导致构件发生断裂的破坏过程。构件是否发生疲劳破坏取决于构件所承受的应力场状态和构件的材料状态两大方面因素。
2、水力方面
在水轮机转轮叶片上出现的、规律性裂纹绝大多数都属于疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。从力学及材料力学上来说，疲劳裂纹的出现就是叶片所承受的动应力超过了叶片材料疲劳强度极限的结果。也就是说叶片承受动载荷的能力不足时，将可能出现叶片裂纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷、而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发，这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。
3、水轮机叶片自身刚度不够
大型水轮机转轮的叶片出水边过长，由于厚度较薄，刚度不足。在水流冲击下，叶片出水边发生振动。在叶片出水边的中部，叶片可以通过弹性变形释放应力。但叶片靠近上冠的位置，由于上冠的约束不能发生较大的变形释放应力，故在循环应力作用下，发生局部塑性变形，长期塑性破坏累计的结果，萌生疲劳裂纹，并扩展。即大型转轮叶片裂纹不可避免。
4、设计方面
叶片的设计存在不合理之处，导致叶片本身承受动载荷能力下降，再加之，叶片出水边的不合理设计导致卡门涡与叶片发生共振，巨大的能量导致裂纹迅速产生并发展，对机组造成了不良影响。设计时，就要考虑到可能影响叶片承受动载荷能力的因素。首先，要保证叶片材料的化学成分、机械性能以及承受工作应力的能力符合要求。材料的实际疲劳强度由于受到运行过程中诸多因素的影响，设计时无法准确确定，因此，目前一般通过材料的最大工作应力与材料的屈服强度或极限抗拉强度的相对关系来评判。采用有限元计算分析得出，转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算的相当应力沿叶片周边分布。转轮叶片存在4个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面（压力分布面）靠近上冠处；叶片出水边正面的中部；叶片出水边背面靠近上冠处；叶片与下环连接区内。结构设计上，各部件的倒角应适当修圆，临近表面的连接应光滑连续，避免应力集中。
二、裂缝处理措施
1、裂纹无损探伤检查
在大修时对转轮进行无损探伤检查，及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。严重的裂纹等缺陷用肉眼和放大镜外观检查即可发现，但较细小的缺陷和内部的缺陷用无损探伤检查。常用的无损检测方法有以下几种：磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等。裂纹集中的部位，由于透照布置比较困难，不能用射线透照法进行无损探伤。根据水轮机叶片表面比较粗糙、结构复杂和厚度变化大的特点，一般应采用渗透、磁粉、超声波和金属磁记忆的方法进行无损检测。
2、完善补焊工艺
叶片补焊可采用两种方法，一是同种材料热焊，但是由于补焊焊缝的填充材料和被补焊母材基本一致，因此，在使用过程中出现问题的可能性较小；另一种是奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊焊接过程中不发生相变，且焊缝的塑性较好。因此，该方案可不预热，简化了补焊工艺，避免了铸钢件受到大的热作用，从而减小了被焊件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单，但是补焊金属强度低于母材，且由于不预热冷焊，近缝区的冷却速度较大，不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织，给补焊接头的性能带来不利影响。
3、采用科学的设计加工方法
采用精煉等方法可减少叶片的杂质含量。叶片中铸造缺陷有促进疲劳裂纹萌生和扩展的作用，必须采取有效的方法预防。利用钢板和电渣重熔坯料热弯成型的叶片，不但缺陷少，而且组织致密。叶片的加工应避免应力集中，同时提高叶片表面光洁度和增加叶片进出水边端棱角的圆弧半径，避免疲劳破坏的表面和尖角效应。防止叶片疲劳裂纹的产生不外两方面的措施，一方面改善叶片的应力场状态，即减少动载荷幅值，残余应力和工作应力。另一方面增强叶片的抗疲劳能力，即提高叶片的疲劳极限值。
4、不热处理补焊
引用这种方法修复裂纹时，无疑地使现场的工作量最小，劳动条件相对较好，这对在相对较狭小的工作现场提高工作质量有好处。但是，这样处理后的焊缝将会处于一种高应力水平之中，对接头的疲劳寿命将会有负面影响。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力，可使抗疲劳强度降低80%左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法，最好是能产生残余压应力，比如通过锤击方法来实现，这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1～2倍。
5、裂纹清理及开坡口
裂纹铲除常用两种方法：风铲和炭弧气刨。风铲铲除裂纹所形成的坡口较规则，易于保证焊接质量，但劳动强度大，速度慢，铲头可根据裂纹深度的不同而选用，坡口要求规则平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧气刨可对较深的裂纹进行多次吹割，这种方法操作简便，速度快，但坡口内往往有渗碳层，要用异型砂轮磨削。为了防止过热引起变形和裂纹扩展，炭弧气刨必须间断使用。
6、选择优质的材料
材料的好坏对水轮机叶片的使用质量有着重要的影响，判定金属材料构件是否发生疲劳破坏的标准是，材料承受的应力幅值Δσ是否大于该材料的疲劳极限Δσ。
结语：
裂纹的产生与设计、制造、运行和材料等因素有关，根本原因是叶片局部承受的循环应力幅值超过叶片材料的水下疲劳极限值，而发生的疲劳破坏。不能片面强调其中的一种因素，这样才能达到预期目的。对裂纹产生的原因进行正确的诊断并积极采取一些有针对性的预防措施，有利于提高水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。
参考文献
[1] 王者昌，陈怀宁.水轮机叶片裂纹的产生及对策[J].大电机技术，2003，06：51-57.
[2] 余春明.陆水电厂水轮机叶片裂纹原因分析与处理[J].长江工程职业技术学院学报，2005，04：35-37.
[3] 陈怀宁，王者昌.水轮机叶片裂纹的压应力防护技术[J].水电站机电技术，2003，S1：23-26.
[4] 薛伟，陈昭运.水轮机叶片裂纹原因及预防措施研究[J].大电机技术，2002，05：42-45.
[5] 戴鼎章，司亮.水轮机转轮叶片裂纹成因及对策分析[J].中国新技术新产品，2011，03：181-182.
[6] 林洪德，张利民.水轮机转轮裂纹的原因及预防措施[J].东方电机，2012，04：49-55.