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漿式，設計發電流量136m3/s，電站設計水頭28．0m，總裝機容量32MW（2×16MW），年發電量1．48億kW·h，年利用小時數4625h。機組額定轉速為300r/min，水輪機轉槳葉數5個，槳葉材質為ZG0Cr13Ni5Mo，漿葉徑向長度600mm。該電站首臺1號機于2014年10月9日投產發電，2017年4月進行過一次B級檢修，當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，當導葉開度增大至8．5%、槳葉開度10%，機組開始緩慢轉動，但轉速不均勻且有卡頓現象，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輪室檢查，發現1#槳葉根部發生縱向貫穿性開裂，因開裂導致彎折變形，槳葉與轉輪室之間有摩擦現象，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#漿葉發生貫穿性裂紋，裂紋由漿葉進水側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的轉折裂紋，未開裂部分僅剩約200mm，如圖1所示。漿葉進水側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了裂紋，而且存在典型的疲勞裂紋擴展區與脆性斷裂區。該機組負荷調整頻繁，且經常在小于9MW的低負荷狀態下運行，機組振動較大；同時由于電站水質較差，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、石塊等雜質進入引水道，雜物易堆積纏繞在導葉上，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生壓力脈動，水輪機導葉、漿葉開度增大時，漿葉進水側與漿葉法蘭圓弧過度處因存在應力集中，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微變缺陷，在循環應力的作用下首先成為疲勞裂紋源，并在運行時逐漸擴展。當停機后再次啟動時，受到的靜應力最大，裂紋的區域出現應力過載，使裂紋快速擴展而出現脆斷。
圖2 1#漿葉裂紋宏觀斷口
2 在線修復方案可行性分析
該漿葉裂紋是因制造缺陷或異物撞擊而出現了應力集中，并在瞬間過載導致漿葉出現開裂并形成裂紋源。該裂紋源并非是材料疲勞強度低而出現。因此，對該漿葉進行焊接修復以恢復原有尺寸的修復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。該材質經淬火、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，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焊材和奧氏體材質焊材，其中同材質修復性能最優，修復前后需預熱與去應力熱處理，修復周期長，修復工藝復雜；用奧氏體焊材（如309和316等）在修復過程中工藝簡單。由于該電站所在流域6月份已進入主汛大發電時期，為了實現快速恢復機組并網發電，考慮到修復過程中不允許進行預熱與熱處理（因漿葉與轉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，本次修復采用適應性強、操作靈活的手工電弧焊冷焊修復方法，焊接時選用強度與葉片材質相近、塑性優于葉片材質的A307（國標E039-15）不銹鋼焊條。
3 在線修復工藝
（1）尺寸測量與裂紋的檢查。根據現場有限空間，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漿葉型線，漿葉下方采用千斤頂輔助支撐。
（3）在線焊接修復工藝。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、環境要求低、適應性強，可實現窄間隙、小空間的坡口焊接。②焊接材料焊前的準備。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方案，即選擇抗裂紋好的φ4．0、φ5．0規格的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區為漿葉正面打底與填充焊縫，Ⅱ區為漿葉背面焊縫，Ⅲ區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，并在整個焊接過程中反復測量整個漿葉的型線恢復情況，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。焊接過程中嚴格控制層間溫度低于60℃；焊前不預熱，焊后不熱處理，只增加回火焊道，具體焊接參數見表1所示，具體焊縫成形見圖4a。在漿葉裂紋完全修復完成后，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 修復工藝主要焊接參數
（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，并用風鏟進行敲擊，釋放焊接應力，敲擊后用壓縮空氣對其冷卻，當焊道溫度降至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，滲透檢查結果無任何焊接缺陷。對漿葉截距、型線進行檢查，滿足設計要求。
圖4 焊縫成形與加強筋分布實物圖
4 運行效果
修復工作在10天內完成，經無損檢測合格，槳葉全開、全關動作試驗靈活，無卡阻、軸振良好。修復后開機試驗，1號機組運行穩定，性能良好，水導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補焊區檢查，斷裂槳葉葉面補焊區表面正常無裂紋，經受了汛期高負荷運行的考驗，即修復效果良好，表明在線焊接修復轉槳式漿葉的方案可行。
5 結語
本文通過對軸流轉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方案與具體實施工藝，避免了起吊轉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天成功實現了軸流轉漿式水輪機漿葉裂紋的在線修復，修復效果良好，為電站汛期搶發電量贏得黃金時間，為電站創造了極高的經濟收益。因此，對軸流轉漿式水輪機漿葉開裂進行在線焊接修復工藝是可行的，為同類機組類似情況處理積累了成功經驗。
王興民 （大唐甘肅發電有限公司碧口水力發電廠，甘肅 文縣 746412）
