水轮机叶片

混流式水轮机转轮叶片在组焊过程中容易出现裂纹，甚至在退火处理后还会出现裂纹。许 多水电站运行一段时间后进行检修，也发现转轮叶片产生了裂纹。裂纹大部分产生在叶片与下 环或叶片与上冠连接的焊缝热影响区部位，呈贯穿性发展。如此多而频繁出现的裂纹，给电站 运行带来了安全隐患， 也增加了电站建设和运行的成本。  西南某电站装设 6 台单机容量 700MW 的混流式机组，总装机容量为 4200MW，保证出力 1854MW，多年平均发电量 190.6 亿 kW·h。电站安装 6 台混流式水轮机，转轮为铸焊结构，上 冠、下环、叶片均为数控加工。转轮净重 152 吨，最大直径 6700mm，总高 3280mm，叶片数量 15 片。转轮材料为 ASTM A743 CA6NM 钢板，焊接材料为 Z410NiMoTi-1 药芯焊丝。钢板的极限 抗拉强度为 760MPa，屈服强度为 550MPa。水轮机转轮在工地组焊，焊接工艺参数见表 1。焊缝 完成后要求做消氢处理，温度 200℃，时间 12 小时。整体组焊完成后要求退火处理。为了掌握 转轮的焊接残余应力状况，对每台转轮退火处理前后均进行了残余应力测试。测试方法为压痕 应变测量法，为了对测试数据进行对比验证，对首台转轮同时用盲孔法和压痕法进行测试。 表 1 主要焊接工艺参数表 焊接 位置 立 平、横 填充金属 牌号 Z410NiMoT1-1 Z410NiMoT1-1 直径 mm 1.6 1.6 预热 温度 ℃ 100 100 电 流 强度 极性 A 正 180-280 正 220-340 电压 V 25-29 25-35 焊接 速度 mm/min 80-180 100-180 线能量 kJ/cm ≤30 ≤30

1 应力测试方法介绍 压痕法应力测试设备： KJS-2 型压痕应力测试仪、 压痕制造系统。 应变计型号： BE120-2CA-B。 测试原理：利用压痕周围形成的弹塑性变形场信息来测量残余应力。采用冲击加载方法制 造压痕，寻找压痕外弹性区内的位移场随残余应力的变化规律。由于该区域内应变变化数值由 压头全塑性压入过程中压痕自身形成的应力场和残余应力的松弛共同叠加作用形成，故将此应 变变化信息称作应变增量。这种利用压痕外弹性区内的应变增量来求解原始残余应力的方法就 是所谓的压痕应变法。与盲孔法相似，该方法也采用电阻应变片作为测量用敏感元件，在应变 花中心部位采用冲击加载制造压痕代替钻孔  通过记录压痕外弹性区应变增量的变化， ， 获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力的 大小。 打 击 压痕法测试残余应力操作简单，适用范围广，表面残余 应力测量精度高，基本无损（深度约 0.2mm） 。 盲孔法测量设备为 YC-Ⅲ型应力测量仪，钻孔设备为的 σ ZDL-1 型钻孔仪，应变片为 BE120-2CA-K 型三向应变花。 钻 应 变 孔直径 1.5mm，孔深 2.0mm。盲孔法比较常用，不再介绍测 试原理。 转轮材料的硬度高，盲孔法测试时，钻孔困难，测量误 图 1 压痕法测量残余应力示意图 差偏大。因此，一般不推荐用盲孔法测量转轮残余应力。 2 测点布置 测点布置原则：选取典型部位，并分布于焊缝、熔合线和热影响区，且便于测试。每台转 轮选择四个叶片的组合焊缝进行测试，其中大部分测点布置在叶片的负压侧，少部分测点布置 在叶片的正压侧。退火前后的测点尽量对应。 为了掌握焊接接头的残余应力分布，在同一焊缝部位测点包括焊缝、熔合线附近焊缝、熔 合线附近热影响区、母材。为了准确反映退火前后的应力变化，在相同部位布置 对应测点，保证退火前后测试数据基本对应,
叶片进水口正压侧焊接接头测点照片无论退火前还是退火后，多数测点的应力值不高，或为压应力。这与转轮焊缝金属低温马 氏体相变产生的体积膨胀有关。这种应力状况有利于提高转轮的抗疲劳性能。但是，焊缝上经 过返修的部位残余应力都比正常焊缝高许多，最大达到 480MPa，且为拉应力。这对设备运行是 不利的，尤其是退火后返修的部位可能在运行中出现裂纹。 在相近部位，分别用盲孔法和压痕法测得的数据基本一致，说明测试数据能正确地反映实 际应力水平。 压痕法与盲孔法测试数据对照表 测点编号 Ⅰ-15#-8 Ⅰ-6#-7 Ⅰ-15 -1 Ⅰ-15 -2 4 测试结果及讨论 4.1 测试结果的讨论 有研究表明[1]，采用低相变点马氏体焊材，焊接熔池在降温的过程中，奥氏体转变为马氏 体的开始温度较低，一般在 400℃左右；马氏体转变的完成温度更低，接近室温。在这一转变 过程中，焊缝金属相变的体积膨胀抵消，甚至超过了温度降低引起的体积收缩。这就很大程度 地降低了焊缝的残余拉应力，甚至产生了残余压应力。大大地改善了焊缝抗疲劳性能。 采用 Z410NiMoTi-1 药芯焊丝焊接转轮，焊缝除了保持了马氏体不锈钢的耐磨特性以外，还具有焊接 残余应力低的特点，测试数据明显反映出了这一特点。
备注 退火前 退火后
退火处理后，转轮的焊接残余应力已经得到均化，尤其是熔合线附近的高应力区经退火处 理后，残余应力大幅度降低，和其它区域无明显差别。说明只要严格执行合理的热处理工艺， 完全可以将焊接残余应力控制在可以接受的水平上。 部分转轮在退火后，重新进行超声波检测时，发现了一些新的超标缺陷（主要是裂纹）这 。 说明，在退火温度（590℃）条件下，某些微小的条状缺陷会扩展成超标缺陷，扩展的动力来自 残余应力。 测试结果客观地反映出马氏体焊材焊接成型后，焊接接头的残余应力水平。压痕应变法在 测试不锈钢材料及高应力焊缝时，具有明显的优势。 4.2 转轮叶片产生裂纹的原因 早期生产的水轮机转轮叶片产生裂纹的原因有很多，包括设计、材料、制造工艺、工艺管 理和生产运行等因素[2]。不难理解，在早期水轮机转轮生产和安装运行中或多或少存在上述问 题。无论设计、材料还是工艺管理等方面，从不成熟到逐渐成熟，符合人们认识事物的一般规 律。但是，各个电站的情况不同，有的主要因为材料不过关，有的主要因为振动疲劳，有的主 要因为焊接残余应力偏高，还有的主要因为多次补焊导致组织脆化。二滩电站水轮机叶片产生 的裂纹主要是由焊接残余应力引起的，随着残余应力的不断释放，裂纹越来越少 [3]。而广西岩 滩电站水轮机转轮叶片产生裂纹原因较多，哈尔滨电机厂对此进行了试验研究 [4]，认为主要原 因有四点：1)多次补焊，改变了材料的原热处理状态，使材料组织脆化；2)叶片承受低应力弯 曲交变载荷；3)叶片材质存在缺陷，这些缺陷在交变载荷作用下形成疲劳源，导致疲劳断裂；4) 补焊区的焊接残余应力偏高。 随着转轮叶片的有限元分析以及动应力测试工作的开展，得知水轮机运行过程中，转轮叶 片存在三个高应力区，它们的位置在：叶片进水边正压面靠近上冠处、叶片出水边正压面的中 部以及叶片出水边负压面与上冠连接的根部[5]。在水轮机检修时，发现裂纹处于上述部位的情 况较多。 随着技术的进步，转轮叶片材料和焊接材料性能越来越先进，焊接工艺方面也有了明显的 进步；转轮的设计也日趋合理。目前，因为材料不过关或焊接工艺本身的原因产生裂纹的现象 越来越少。导致水轮机叶片产生裂纹的主要因素为：1）振动疲劳；2）未严格执行焊接工艺和 热处理工艺，导致焊接残余应力偏高；3）焊缝反复修补，使接头组织脆化。 通常情况下，转轮出现裂纹往往是运行工况条件恶劣（振动） 、材料的抗疲劳性能差与焊接 残余应力偏高等因素的综合影响下形成的。焊接残余应力不一定导致转轮出现裂纹，但转轮叶 片出现的裂纹或多或少与焊接残余应力有关，至少残余应力加速了裂纹的产生与扩展。 值得注意的是，转轮叶片的疲劳裂纹的扩展是有一定规律的，从20mm左右的小裂纹扩展 到70mm左右的长裂纹需要半年以上的时间[。因此，电站停机检修时，对叶片裂纹的处理应该 统筹安排。制定合理的检修周期很重要，周期过短会影响生产运行，周期过长则存在安全风险。 4.3 避免转轮叶片产生裂纹的途径 水轮机转轮出现裂纹，处理起来是相当棘手的，稍有不慎，会越补越裂，陷入恶性循环。 因此，关键在于预防。但对于水轮机而言，振动疲劳问题总是存在的。在实际施工中，由于不 锈钢在液态时流动性差，焊接缺陷难以避免，因而焊缝的返修难以避免。在退火前的返修部位 可以通过退火处理降低残余应力，改善组织；而退火后返修的部位存在残余应力偏高，组织不 均匀等不足。测试中发现局部热处理办法难以起到改善组织，降低应力的效果，甚至适得其反。 在工程应用中，技术人员提出过一些降低或改善残余应力状态的办法，如锤击消应法、局部加 热法。但这些方法有明显的局限性，都在一定程度上降低了材料的塑性，应用时须谨慎。 归纳起来，避免水轮机转轮叶片出现裂纹的途径如下： 1） 改善水轮机结构， 并合理选择材料， 在避免转轮产生共振的同时， 提高转轮的疲劳强度。
2）选择低应力焊接材料。 3）合理编制热处理工艺，严格执行工艺，并对热处理效果进行检验，确保出厂时转轮的焊 接残余应力在可以接受的水平。 4）严格进行工艺管理，尽量避免退火处理后对焊缝进行返修。更应该防止制造过程中的超 标缺陷未经处理，就将转轮交付安装运行。 5）适当提高预热温度，使焊接熔池中的气体和熔渣容易浮出，减少焊缝返修的次数；同时 尽量避免对叶片进行焊补；以免材料组织脆化。 6）合理控制运行工况，避免转轮叶片与水流产生共振，导致局部产生疲劳破坏。