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隴南市某水電站位于白水江干流上，機組為立軸懸吊軸流轉(zhuǎn)漿式，設(shè)計發(fā)電流量136m3/s，電站設(shè)計水頭28．0m，總裝機容量32MW（2×16MW），年發(fā)電量1．48億kW·h，年利用小時數(shù)4625h。機組額定轉(zhuǎn)速為300r/min，水輪機轉(zhuǎn)槳葉數(shù)5個，槳葉材質(zhì)為ZG0Cr13Ni5Mo，漿葉徑向長度600mm。該電站首臺1號機于2014年10月9日投產(chǎn)發(fā)電，2017年4月進行過一次B級檢修，當(dāng)時檢查水輪機各部件完好無損。2018年6月7日停機處理主軸密封漏水缺陷后再開機，當(dāng)導(dǎo)葉開度增大至8．5%、槳葉開度10%，機組開始緩慢轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速不均勻且有卡頓現(xiàn)象，同時機組伴隨有劇烈抖動及異音，立即緊急停機開啟蝸殼人孔門進入轉(zhuǎn)輪室檢查，發(fā)現(xiàn)1#槳葉根部發(fā)生縱向貫穿性開裂，因開裂導(dǎo)致彎折變形，槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間有摩擦現(xiàn)象，其它4個漿葉完好。
1 漿葉裂紋介紹與原因分析
該水輪機1#漿葉發(fā)生貫穿性裂紋，裂紋由漿葉進水側(cè)與漿葉法蘭圓弧過度處向葉頂方向擴展，漿葉根部裂口寬度130mm，縱向開裂長度為670mm，開裂末端存在110mm和50mm的轉(zhuǎn)折裂紋，未開裂部分僅剩約200mm，如圖1所示。漿葉進水側(cè)與漿葉法蘭圓弧過度處最厚約170mm，而裂紋終止端處厚度約僅25mm。
圖1 1#漿葉裂紋示意圖與實物圖
由圖2可以看出，在漿葉法蘭圓弧過度處先出現(xiàn)了裂紋，而且存在典型的疲勞裂紋擴展區(qū)與脆性斷裂區(qū)。該機組負荷調(diào)整頻繁，且經(jīng)常在小于9MW的低負荷狀態(tài)下運行，機組振動較大；同時由于電站水質(zhì)較差，進水口攔污柵柵條間距較大（150mm），生活垃圾如編織袋、塑料、秸桿、石塊等雜質(zhì)進入引水道，雜物易堆積纏繞在導(dǎo)葉上，從而造成水流紊亂，加劇機組振動。因漿葉進水邊附近受力最大，裂紋主要是漿葉在運行時由于過流部件中流場的速度分布不均勻產(chǎn)生壓力脈動，水輪機導(dǎo)葉、漿葉開度增大時，漿葉進水側(cè)與漿葉法蘭圓弧過度處因存在應(yīng)力集中，再疊加該處可能存在的制造缺陷或石塊等硬物對漿葉的撞擊而出現(xiàn)微變?nèi)毕?，在循環(huán)應(yīng)力的作用下首先成為疲勞裂紋源，并在運行時逐漸擴展。當(dāng)停機后再次啟動時，受到的靜應(yīng)力最大，裂紋的區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力過載，使裂紋快速擴展而出現(xiàn)脆斷。
圖2 1#漿葉裂紋宏觀斷口
2 在線修復(fù)方案可行性分析
該漿葉裂紋是因制造缺陷或異物撞擊而出現(xiàn)了應(yīng)力集中，并在瞬間過載導(dǎo)致漿葉出現(xiàn)開裂并形成裂紋源。該裂紋源并非是材料疲勞強度低而出現(xiàn)。因此，對該漿葉進行焊接修復(fù)以恢復(fù)原有尺寸的修復(fù)方案可滿足機組安全運行要求。
漿葉材料為精煉ZG0Cr13Ni5Mo，屬馬氏體不銹鋼。該材質(zhì)經(jīng)淬火、回火具有較高硬度、強度、耐磨性和抗氧化性能。在退火狀態(tài)下，具有一定的塑性和韌性。由于含有（4～6）%Ni 的13CrMo 鋼不僅具有良好的綜合機械性能、低溫韌性、斷裂力學(xué)性能和水下疲勞性能，還具有良好的焊接性和抗磨蝕性能，因此廣泛地用于水輪機過流部件。
針對該水輪機漿葉材質(zhì)，適用的焊接方法有手工電弧焊、藥芯焊絲氣保焊等。焊接材料有選同材質(zhì)焊材和奧氏體材質(zhì)焊材，其中同材質(zhì)修復(fù)性能最優(yōu)，修復(fù)前后需預(yù)熱與去應(yīng)力熱處理，修復(fù)周期長，修復(fù)工藝復(fù)雜；用奧氏體焊材（如309和316等）在修復(fù)過程中工藝簡單。由于該電站所在流域6月份已進入主汛大發(fā)電時期，為了實現(xiàn)快速恢復(fù)機組并網(wǎng)發(fā)電，考慮到修復(fù)過程中不允許進行預(yù)熱與熱處理（因漿葉與轉(zhuǎn)槳樞軸通過法蘭連接，樞軸與主軸之間為橡膠密封圈。因此，在線修復(fù)時必須控制漿葉法蘭處溫度不得高于60℃），并且空間受限、濕度大等特點，本次修復(fù)采用適應(yīng)性強、操作靈活的手工電弧焊冷焊修復(fù)方法，焊接時選用強度與葉片材質(zhì)相近、塑性優(yōu)于葉片材質(zhì)的A307（國標(biāo)E039-15）不銹鋼焊條。
3 在線修復(fù)工藝
（1）尺寸測量與裂紋的檢查。根據(jù)現(xiàn)場有限空間，先對變形漿葉與無變形漿葉進行尺寸測量；對裂紋尖端位置采用滲透檢查，確認裂紋終止位置，并鉆打止裂孔。
（2）葉片變形的恢復(fù)方法。對未變形的漿葉位置進行固定防變形；采用5t手拉葫蘆吊拉并配合合理的焊接順序以達到恢復(fù)漿葉型線，漿葉下方采用千斤頂輔助支撐。
（3）在線焊接修復(fù)工藝。①焊接方法的選擇。選擇手工電弧焊，該方法效率較高、空間要求低、環(huán)境要求低、適應(yīng)性強，可實現(xiàn)窄間隙、小空間的坡口焊接。②焊接材料焊前的準(zhǔn)備。由于是在線焊接并嚴格控制層間溫度，因此只能采用冷焊修復(fù)方案，即選擇抗裂紋好的φ4．0、φ5．0規(guī)格的E309-15焊條，焊接前對焊條進行350～400℃烘干并保溫1h，用保溫桶保存，邊用邊取，以免返潮。③焊接坡口加工。焊接坡口如圖3所示，采用雙U型坡口，坡口開口寬度約25mm，上半部分坡口在漿葉實際厚度的2/3，其中Ⅰ區(qū)為漿葉正面打底與填充焊縫，Ⅱ區(qū)為漿葉背面焊縫，Ⅲ區(qū)為漿葉正面蓋面焊縫。坡口加工后打磨清理滲碳層至露出金屬光澤，并進行100%滲透檢測應(yīng)無裂紋等缺陷。④焊接順序。由于漿葉裂紋長、變形大，因此焊接修復(fù)分為4段（見圖1）。其中將尾裂紋端部110+50mm為A段，將裂紋長度的670+60mm區(qū)域分為3段，分別為B、C、D段，焊接順序為：A-Ⅲ→B-Ⅰ→（A-Ⅲ+ B-Ⅰ）蓋面+回火焊道→C-Ⅰ→(B-Ⅱ+ C-Ⅱ)→(B-Ⅲ+ C-Ⅲ) 蓋面+回火焊道→D-Ⅰ→D-Ⅱ→D-Ⅲ蓋面+回火焊道。
在焊接A段與B段過程中采用手拉葫蘆吊拉與千斤頂輔助支撐進行漿葉型線恢復(fù)，并在整個焊接過程中反復(fù)測量整個漿葉的型線恢復(fù)情況，并控制漿葉根部溫度始終低于60℃。焊接過程中交替進行打磨清渣、焊接、目視檢查，以確保焊接成形良好、完全熔合、無缺陷、無夾雜。⑤焊接修復(fù)。焊接過程中嚴格控制層間溫度低于60℃；焊前不預(yù)熱，焊后不熱處理，只增加回火焊道，具體焊接參數(shù)見表1所示，具體焊縫成形見圖4a。在漿葉裂紋完全修復(fù)完成后，在漿葉正面增加了兩道加強筋，見圖4b，以提高漿葉在該處的強度。
圖3 焊縫坡口
表1 修復(fù)工藝主要焊接參數(shù)
（4）無損檢測與尺寸檢查：焊接過程中每焊完一道要徹底清除熔渣，并用風(fēng)鏟進行敲擊，釋放焊接應(yīng)力，敲擊后用壓縮空氣對其冷卻，當(dāng)焊道溫度降至50℃以下時再進行下一道焊縫施焊；焊接過程中要不斷嚴密檢測，防止葉片發(fā)生位移或變形；焊接完成后將焊口打磨光滑、平整，滿足滲透著色檢查，滲透檢查結(jié)果無任何焊接缺陷。對漿葉截距、型線進行檢查，滿足設(shè)計要求。
圖4 焊縫成形與加強筋分布實物圖
4 運行效果
修復(fù)工作在10天內(nèi)完成，經(jīng)無損檢測合格，槳葉全開、全關(guān)動作試驗靈活，無卡阻、軸振良好。修復(fù)后開機試驗，1號機組運行穩(wěn)定，性能良好，水導(dǎo)軸承擺度和機組軸向振動值均符合要求。運行2個多月后的9月10日，打開蝸殼人孔門進行槳葉修復(fù)補焊區(qū)檢查，斷裂槳葉葉面補焊區(qū)表面正常無裂紋，經(jīng)受了汛期高負荷運行的考驗，即修復(fù)效果良好，表明在線焊接修復(fù)轉(zhuǎn)槳式漿葉的方案可行。
5 結(jié)語
本文通過對軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機漿葉開裂進行失效分析，確定漿葉在線焊接修復(fù)方案與具體實施工藝，避免了起吊轉(zhuǎn)輪體一系列拆裝工作，在空間受限、裂紋長與變形量大、濕度大的條件下，用10天成功實現(xiàn)了軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機漿葉裂紋的在線修復(fù)，修復(fù)效果良好，為電站汛期搶發(fā)電量贏得黃金時間，為電站創(chuàng)造了極高的經(jīng)濟收益。因此，對軸流轉(zhuǎn)漿式水輪機漿葉開裂進行在線焊接修復(fù)工藝是可行的，為同類機組類似情況處理積累了成功經(jīng)驗。
王興民 （大唐甘肅發(fā)電有限公司碧口水力發(fā)電廠，甘肅 文縣 746412）
