1 水轮机及转轮定义
水轮机是把水流的能量转换为旋起色械能的动力机械, 它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后, 中国就呈现了水轮机的雏形——水轮, 用于提灌和驱动食粮加工器械。现代水轮机则大大都安装在水电站内, 用来驱动发电机发电。在水电站中, 上游水库中的水经引水管引向水轮机, 鞭策水轮机转轮旋转, 带动发电机发电。作完功的水则经由过程尾水管道排向下游。水头越高、流量越大, 水轮机的输出功率也就越大。
水轮机转轮是水轮机构件中可以旋转的轮子。是水轮机中把水能转换成机械能的核心部件。混流式水轮机的转轮主要由叶片、上冠、下环和泄水锥组成;轴流式水轮机的转轮主要由叶片、转轮体和泄水锥组成;冲击式水轮的转轮主要由叶片、轮盘组成 (在蓄能泵与水泵中称“叶轮”) 。
2 水轮机转轮裂纹原因分析
水轮机转轮裂纹的产生, 对机组安全造成了特别大的威胁, 也给电厂造成了很大的经济损失, 因此, 我们很有必要分析一下造成裂纹的原因, 并针对这些原因提出修复预防办法。
2.1 受力过于集中
通过计算分析可以得出, 转轮在受水压力和离心力的共同作用下, 主要应力区分布在转轮叶片周边上面, 通过第三强度理论可以计算得出相当应力沿叶片周边的分布, 可以分析得出转轮叶片存在四个比较高的应力区, 他们的位置在叶片进水正面靠近上冠处;叶片出水边正面的中部, 这些构造使转轮叶片某些部位受力过大, 易产生裂纹。
2.2 铸造焊接过程中造成的缺陷
铸造气孔、砂眼等会在外部力量的影响下很有可能产生裂纹, 导致裂纹的产生。因为转轮叶片与上冠、下环的厚度相关非常大, 在受冷却过程中比较容易产生缩孔造成松动。在转轮的铸造过程中, 如若焊接工艺不正确, 或者没有接照焊接工艺要求进行焊接加工, 通常在焊接缝和受热影响区有裂纹的出现。
2.3 工作运行中的原因
由于机轮长期在低负荷、超负荷的状态下运行工作, 这会导致叶片在交变应力作用下产生裂纹, 或者使裂纹的情况加剧。
3 裂纹无损探伤检查
在进行转轮设备检查时, 主要采用无损探伤检查, 及时发现缺陷, 解除事故隐患是非常重要的, 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必须用无损探伤检查, 通常采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。
3.1 超声波检测
超声波探伤方法对裂纹、未熔合等面积型缺陷的检出率较高, 适宜检验较大厚度的工件, 但是对于铸钢、奥氏体不锈钢材, 由于粗大晶粒的晶界会反射声波, 在屏幕上出现大量的“草状回波”, 容易与缺陷波混淆, 影响检测可靠性, 限制了超声波探伤方法在铸钢制水轮机转子叶片上无损检测的应用探测频率越高, 杂波就越显著, 为了减小晶界反射波的影响, 我们采用了低频探头 (215MHz) 对铸钢转子进行超声波探伤, 发现反射信号以后再用高频探头 (5MHz) 进行定量, 实践证明这是可行的。铸钢件超声波探伤衰减很大, 探伤时只有满足以下条件才能检测, 则底波与林状回波至少应有30分贝差。
3.2 渗透探伤
渗透探伤方法简单易行, 显示直观, 适合于大型和不规则工件的检查和现场检修检查。但是, 渗透探伤方法是利用渗透能力强的彩色渗透液渗入到裂纹等缺陷的缝隙中, 再利用吸附能力强的白色显像剂, 将渗透液吸出来以显示缺陷的, 因此, 只能检查表面开口的缺陷。
3.3 磁粉探伤
磁粉探伤方法是利用工件磁化后, 在材料中的不连续部位, 磁力线会发生畸变, 部分磁力线有可能逸出材料表面形成漏磁场, 这时在工件上撒上磁粉, 漏磁场就会吸附磁粉, 形成与缺陷形状相近的磁粉堆积, 从而显示缺陷。因此, 磁粉探伤适用于铁磁材料探伤, 可以检出表面和近表面缺陷, 但是有些部位由于难以磁化而无法探伤。
4 传统的转轮裂纹修复方法
4.1 整体热处理加焊补
这种修复方法主要特点是采用常规焊接工艺补焊后, 对整个转轮进行焊后的热处理加工。整体热处理对改善裂纹修复区的金属组织性能、降低焊接残余应力、提高接头抗疲劳裂纹都有很好的效果, 其主要缺点是处理设施比较庞大, 不适合大转轮的裂纹修复, 通常用作小转轮的裂纹修复。
4.2 局部热处理加焊补
这种裂纹修复方法, 就是通常所说的常规焊接工艺焊接, 并对补焊区进行局部热处理。局部热处理对改善焊缝应力分布、降低焊接应力峰值有一定作用但对焊接接头整体残余应力水平降低并不明显。比较容易造成裂纹处理现场劳动条件恶化, 热处理设施的布置, 使得本就比较狭小的场地更加拥挤, 从而反过来又对焊接质量造成不利影响。
4.3 不热处理焊补
这种方法是在对转轮裂纹处理过程中, 不进行真正意义上的热处理, 是在整个修复处理过程中, 进行适当的温度控制。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。
5 结语
水轮机转轮裂纹的问题影响着水轮机的正常工作, 近年来水轮机裂纹事故频繁发生, 严重威胁了水电厂的正常安全运动, 有必要对裂纹产生的原因进行探究, 采用合理、科学的手段进行调控, 对发现的问题及时处理解决, 保证机组安全的工作运行。
摘要：水轮机转轮是水轮机重要的组成部分, 水轮机转轮轮毂与叶片间过渡区在力学性能上是整个转轮的薄弱环节, 通过研究表明, 此区域在转轮工作运行中比较容易发生裂纹。这一问题是对水轮机的工作产生了很大的不利影响, 本文主要通过自己的工作经验提出了一些合理修复水轮机裂纹的办法, 希望能为水轮机研究提供一些帮助。
关键词：水轮机,转轮,裂纹,修复
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