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陇南市某水电站位于白水江干流上，机组为立轴悬吊轴流转浆式，设计发电流量136m3/s，电站设计水头28．0m，总装机容量32MW（2×16MW），年发电量1．48亿kW·h，年利用小时数4625h。机组额定转速为300r/min，水轮机转桨叶数5个，桨叶材质为ZG0Cr13Ni5Mo，浆叶径向长度600mm。该电站首台1号机于2014年10月9日投产发电，2017年4月进行过一次B级检修，当时检查水轮机各部件完好无损。2018年6月7日停机处理主轴密封漏水缺陷后再开机，当导叶开度增大至8．5%、桨叶开度10%，机组开始缓慢转动，但转速不均匀且有卡顿现象，同时机组伴随有剧烈抖动及异音，立即紧急停机开启蜗壳人孔门进入转轮室检查，发现1#桨叶根部发生纵向贯穿性开裂，因开裂导致弯折变形，桨叶与转轮室之间有摩擦现象，其它4个浆叶完好。
1 浆叶裂纹介绍与原因分析
该水轮机1#浆叶发生贯穿性裂纹，裂纹由浆叶进水侧与浆叶法兰圆弧过度处向叶顶方向扩展，浆叶根部裂口宽度130mm，纵向开裂长度为670mm，开裂末端存在110mm和50mm的转折裂纹，未开裂部分仅剩约200mm，如图1所示。浆叶进水侧与浆叶法兰圆弧过度处最厚约170mm，而裂纹终止端处厚度约仅25mm。
图1 1#浆叶裂纹示意图与实物图
由图2可以看出，在浆叶法兰圆弧过度处先出现了裂纹，而且存在典型的疲劳裂纹扩展区与脆性断裂区。该机组负荷调整频繁，且经常在小于9MW的低负荷状态下运行，机组振动较大；同时由于电站水质较差，进水口拦污栅栅条间距较大（150mm），生活垃圾如编织袋、塑料、秸杆、石块等杂质进入引水道，杂物易堆积缠绕在导叶上，从而造成水流紊乱，加剧机组振动。因浆叶进水边附近受力最大，裂纹主要是浆叶在运行时由于过流部件中流场的速度分布不均匀产生压力脉动，水轮机导叶、浆叶开度增大时，浆叶进水侧与浆叶法兰圆弧过度处因存在应力集中，再叠加该处可能存在的制造缺陷或石块等硬物对浆叶的撞击而出现微变缺陷，在循环应力的作用下首先成为疲劳裂纹源，并在运行时逐渐扩展。当停机后再次启动时，受到的静应力最大，裂纹的区域出现应力过载，使裂纹快速扩展而出现脆断。
图2 1#浆叶裂纹宏观断口
2 在线修复方案可行性分析
该浆叶裂纹是因制造缺陷或异物撞击而出现了应力集中，并在瞬间过载导致浆叶出现开裂并形成裂纹源。该裂纹源并非是材料疲劳强度低而出现。因此，对该浆叶进行焊接修复以恢复原有尺寸的修复方案可满足机组安全运行要求。
浆叶材料为精炼ZG0Cr13Ni5Mo，属马氏体不锈钢。该材质经淬火、回火具有较高硬度、强度、耐磨性和抗氧化性能。在退火状态下，具有一定的塑性和韧性。由于含有（4～6）%Ni 的13CrMo 钢不仅具有良好的综合机械性能、低温韧性、断裂力学性能和水下疲劳性能，还具有良好的焊接性和抗磨蚀性能，因此广泛地用于水轮机过流部件。
针对该水轮机浆叶材质，适用的焊接方法有手工电弧焊、药芯焊丝气保焊等。焊接材料有选同材质焊材和奥氏体材质焊材，其中同材质修复性能最优，修复前后需预热与去应力热处理，修复周期长，修复工艺复杂；用奥氏体焊材（如309和316等）在修复过程中工艺简单。由于该电站所在流域6月份已进入主汛大发电时期，为了实现快速恢复机组并网发电，考虑到修复过程中不允许进行预热与热处理（因浆叶与转桨枢轴通过法兰连接，枢轴与主轴之间为橡胶密封圈。因此，在线修复时必须控制浆叶法兰处温度不得高于60℃），并且空间受限、湿度大等特点，本次修复采用适应性强、操作灵活的手工电弧焊冷焊修复方法，焊接时选用强度与叶片材质相近、塑性优于叶片材质的A307（国标E039-15）不锈钢焊条。
3 在线修复工艺
（1）尺寸测量与裂纹的检查。根据现场有限空间，先对变形浆叶与无变形浆叶进行尺寸测量；对裂纹尖端位置采用渗透检查，确认裂纹终止位置，并钻打止裂孔。
（2）叶片变形的恢复方法。对未变形的浆叶位置进行固定防变形；采用5t手拉葫芦吊拉并配合合理的焊接顺序以达到恢复浆叶型线，浆叶下方采用千斤顶辅助支撑。
（3）在线焊接修复工艺。①焊接方法的选择。选择手工电弧焊，该方法效率较高、空间要求低、环境要求低、适应性强，可实现窄间隙、小空间的坡口焊接。②焊接材料焊前的准备。由于是在线焊接并严格控制层间温度，因此只能采用冷焊修复方案，即选择抗裂纹好的φ4．0、φ5．0规格的E309-15焊条，焊接前对焊条进行350～400℃烘干并保温1h，用保温桶保存，边用边取，以免返潮。③焊接坡口加工。焊接坡口如图3所示，采用双U型坡口，坡口开口宽度约25mm，上半部分坡口在浆叶实际厚度的2/3，其中Ⅰ区为浆叶正面打底与填充焊缝，Ⅱ区为浆叶背面焊缝，Ⅲ区为浆叶正面盖面焊缝。坡口加工后打磨清理渗碳层至露出金属光泽，并进行100%渗透检测应无裂纹等缺陷。④焊接顺序。由于浆叶裂纹长、变形大，因此焊接修复分为4段（见图1）。其中将尾裂纹端部110+50mm为A段，将裂纹长度的670+60mm区域分为3段，分别为B、C、D段，焊接顺序为：A-Ⅲ→B-Ⅰ→（A-Ⅲ+ B-Ⅰ）盖面+回火焊道→C-Ⅰ→(B-Ⅱ+ C-Ⅱ)→(B-Ⅲ+ C-Ⅲ) 盖面+回火焊道→D-Ⅰ→D-Ⅱ→D-Ⅲ盖面+回火焊道。
在焊接A段与B段过程中采用手拉葫芦吊拉与千斤顶辅助支撑进行浆叶型线恢复，并在整个焊接过程中反复测量整个浆叶的型线恢复情况，并控制浆叶根部温度始终低于60℃。焊接过程中交替进行打磨清渣、焊接、目视检查，以确保焊接成形良好、完全熔合、无缺陷、无夹杂。⑤焊接修复。焊接过程中严格控制层间温度低于60℃；焊前不预热，焊后不热处理，只增加回火焊道，具体焊接参数见表1所示，具体焊缝成形见图4a。在浆叶裂纹完全修复完成后，在浆叶正面增加了两道加强筋，见图4b，以提高浆叶在该处的强度。
图3 焊缝坡口
表1 修复工艺主要焊接参数
（4）无损检测与尺寸检查：焊接过程中每焊完一道要彻底清除熔渣，并用风铲进行敲击，释放焊接应力，敲击后用压缩空气对其冷却，当焊道温度降至50℃以下时再进行下一道焊缝施焊；焊接过程中要不断严密检测，防止叶片发生位移或变形；焊接完成后将焊口打磨光滑、平整，满足渗透着色检查，渗透检查结果无任何焊接缺陷。对浆叶截距、型线进行检查，满足设计要求。
图4 焊缝成形与加强筋分布实物图
4 运行效果
修复工作在10天内完成，经无损检测合格，桨叶全开、全关动作试验灵活，无卡阻、轴振良好。修复后开机试验，1号机组运行稳定，性能良好，水导轴承摆度和机组轴向振动值均符合要求。运行2个多月后的9月10日，打开蜗壳人孔门进行桨叶修复补焊区检查，断裂桨叶叶面补焊区表面正常无裂纹，经受了汛期高负荷运行的考验，即修复效果良好，表明在线焊接修复转桨式浆叶的方案可行。
5 结语
本文通过对轴流转浆式水轮机浆叶开裂进行失效分析，确定浆叶在线焊接修复方案与具体实施工艺，避免了起吊转轮体一系列拆装工作，在空间受限、裂纹长与变形量大、湿度大的条件下，用10天成功实现了轴流转浆式水轮机浆叶裂纹的在线修复，修复效果良好，为电站汛期抢发电量赢得黄金时间，为电站创造了极高的经济收益。因此，对轴流转浆式水轮机浆叶开裂进行在线焊接修复工艺是可行的，为同类机组类似情况处理积累了成功经验。
王兴民 （大唐甘肃发电有限公司碧口水力发电厂，甘肃 文县 746412）
