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小水电2013年第4期(总第172期)运行与维护

某水电站水轮机叶片裂纹处理措施

李胜鑫(华电福新能源股份有限公司华安水电厂福建华安363800)

赵锋(温州珊溪水力发电厂浙江温州325000)

1概述

某水电站装有容量为3×14.6MW的灯泡贯流式机组，年平均发电量1.8亿kW·h,年平均利用小时4100h。该水轮发电机组由天津阿尔斯通水电设备有限公司生产，型号为GZ4BN28A—WP—550,额定水头6.85m,最大水头8.30m,最小水头4.5m,转轮直径5.50m,额定出力15.2MW,额定流量246.74m3/s,额定转速85.71r/min,飞逸转速260.9r/min,最大正向推力1720kN,最大反向推力2490kN,允许吸出高度-6.98m。水轮机桨叶叶片的材料为0Cr13Ni6Mo,采用整体铸造成型，经正火消除铸造应力处理加工而成。

2叶片裂纹的产生

电站于2007年10月首次大修时在1号机组的1号叶片发现1条裂纹，裂纹位于出水边，为贯穿性裂纹，长度约110mm;裂纹从迎水面发展到背水面，从出水边沿往叶片中间发展。该机组从投产到发现裂纹已运行30000h。另外，电站3号机组于2008年3月小修时首次发现2号叶片有1条贯穿性裂纹，位于出水边，长度约100mm,该机组从投产到发现裂纹已运行约28000h。

2.1叶片的材料及机械性能

叶片材料是一种低碳马氏体不锈钢，该材料具有强度高、塑性好、耐磨、耐腐蚀、抗气蚀等良好的综合机械性能，铸造工艺要求较高，容易形成晶

收稿日期：2013-04-18

作者简介：李胜鑫(1976-),男，工程师，主要从事水电厂生产技术管理工作。

Email:lsx91315@163.com

格粗大等铸造缺陷和有较大的铸造内应力。叶片材料焊接性能较差，焊缝金属形成粗大的铁素体且沿晶界析出碳化物，导致焊缝接头塑性和韧性下降，同时焊缝淬硬倾向大。

2.2原因分析

从机组相关测试结果和试验数据分析来看，机组运行的振动、摆度和压力脉动值均未见异常，符合技术要求。对叶片裂纹附近进行超声波探伤，发现叶片在裂纹中的近表面附近存在铸造形成的细小砂眼、缩松、微小的内裂纹等缺陷。经过现场叶片裂纹情况的研究分析，产生裂纹的原因主要有以下几个方面：由于叶片铸造过程工艺与要求存在差异，造成结构不均匀的马氏体金相组织，使局部综合机械性能下降。叶片母材存在一定铸造缺陷(如砂眼、缩松、裂纹等),产生了应力集中，应力集中处的应力接近或超过材料的断裂极限。在机组长期的运行情况下，受到循环交变应力作用而造成破坏。裂纹出现在出水边，是由于叶片出水边区域结构单薄、刚性较差、水流流态复杂、受力状态复杂且局部的剪应力较大；当机组运行在某一特定工况时，可能在该区域存在共振现象，加速了疲劳破坏。

3叶片裂纹的处理

3.1采用马氏体和奥氏体不锈钢焊条现场焊接修复

电站叶片为0Cr13Ni6Mo不锈钢马氏体铸件，为了对比研究马氏体和奥氏体不锈钢焊条对裂纹修复的适应性、可靠性和耐久性，分别于2007年10月采用马氏体不锈钢焊条对1号机组的1号叶片裂纹进行修复，而后于2008年3月采用奥氏体不锈钢焊条对3号机组的2号叶片裂纹进行修复。

裂纹修复优先选用高强度马氏体不锈钢现场焊

运行与维护SMALLHYDROPOWEB2013No4.TotalNol72

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接的专用焊条G367M,规格为φ3.2mm焊条用于坡口堆焊，规格为φ4.0mm焊条用于表层堆焊。G367M焊条为马氏体不锈钢焊条(含铬12%的高铬钢),与0Cr13Ni6Mo铬含量相仿。此类钢淬硬倾向大，焊后易产生高硬度的马氏体和贝氏体，使脆性增加，残余应力也较大，容易产生冷裂缝；故一般焊前必须进行预热及层间保温，焊后尚未冷却前进行高温回火。电站1号机组的1号叶片裂纹修复采用G367M电焊条。

从不锈钢组织图分析(见表1),0Cr13Ni6Mo

焊缝金属形成粗大的铁素体且沿晶界析出碳化物，导致焊缝接头塑性和韧性下降，同时焊缝淬硬倾向大。叶片材料0Cr13Ni6Mo焊接性能较差，对于焊接马氏体不锈钢材料，当预热、后热困难时可采用奥氏体不锈钢焊接材料。采用奥氏体铬镍不锈钢焊条的型号为A302和A237,其能够提高接头性能。