水电站水轮机转矩材料的选择与应用

水电站水轮机转矩材料的选择与应用

1水轮机齿轮材料康先生的处理厂类型为hl2200-lj-550，3号机组已投入使用近10年，旋转材料为0ec13ni6mo。转轮是水轮发电机组的关键部件,它不仅承受水流的冲击力,还要遭受气蚀、磨损等破坏作用,因此,水轮机转轮材料不仅要有足够的强度、韧性和良好的抗气蚀、抗磨损性能,而且还应有良好的铸造、焊接和加工工艺性能。早期的水轮机转轮是用青铜和铸铁制造的,由于它们的抗磨蚀性能均低于碳钢,早已被碳钢和合金钢取代。目前国内用于生产水轮机转轮的材料有:25、30、35号钢、20SiMn、15MnMoVCu、15MnCuTi等低合金钢;Cr5Cu、Cr8CuMo等中合金钢;1Cr13、2Cr13不锈钢和0Cr13Ni6N,0Cr13Ni6Mo,0Cr13Ni5Mo,0Cr13Ni4Mo,0Cr13Ni4CuMo等高合金铬镍不锈钢。上述有些材料使用效果不理想,性能不完善,造成一些电站检修频繁,修补工作量大,甚至发生叶片断裂的事故,影响了电站的安全经济运行。据统计,我国电站的水轮机转轮裂纹较多,因裂纹严重导致叶片断裂的事故屡有发生,具体情况见表1。0Cr13Ni6Mo是低碳马氏体高强度不锈钢,此型钢不仅Cr、Ni含量低于18—8奥氏体不锈钢,其抗磨蚀性能亦优越,塑性、韧性及焊接性能优良,作为水轮机转轮的结构材料在70年代前后已被广泛应用,至今被视为国际上适用的转轮结构材料。0Cr13Ni6Mo的一般生产工艺为:以电弧炉真空氧脱碳炉外精炼工艺进行冶炼,并用固渣保护浇注成锭,再经过万能轧机轧成板材成品,其常规成份见表2。转轮裂纹的存在威胁着水电站的安全经济运行,因此必须加强对转轮裂纹的检查、监测与处理。2测试2.1布硬度和耐久性采用HLN—11A里氏硬度仪检测了2号、3号、10号叶片的硬度,该仪器相对误差±0.8%,示值重复性误差0.8%。硬度是材料抵抗硬物体压入其表面的能力,是一项重要的机械性能指标,它决定了材料的耐磨性。一般说来,硬度高,强度也高,耐磨性也好,它反映了材料对塑性变形的抗力。布氏硬度是以一定的载荷p,把直径为D的淬火钢球压入被测金属表面,然后用压痕的面积除以p所得的商作为硬度的指标,以符号HB表示。测试表明,2号、3号、10号叶片布氏硬度平均值分别为248、227,230。2.2微峰谷不清晰度的测量采用TR100粗糙度测试仪,仪器最大取样长度为2.5mm,最小垂直分辨率0.01μm,最大垂直量程40～120μm。粗糙度(光洁度)的评定,是指对结构表面上所具有的较小间距和微小峰谷不平度的微观几何形状尺寸特性的综合评价,不考虑加工表面其它物理特性诸因素。测量表面光洁度数值的基准线是以轮廓中线为基准,将轮廓曲线分为上、下两半,使其在基本长度(取样长度)范围内,由中线至轮廓线上下两边的面积彼此相等。粗糙度可用两种方式表示:Ra为轮廓的平均算术偏差(即在基本长度内,被测轮廓上各点至轮廓中线距离总和的平均值);Rz为不平度平均高度。本次测试采用Ra,具体数据见表3。由表3可看出,3<Ra<5,大致相当于∇5的半光等级。事实证明,在不产生磨蚀的情况下,长期的水流冲刷有助于光洁度的提高。2.3叶片损伤分析2.3.1叶片渗透法检测采用“着色渗透探伤法”对14个叶片进行无损检测,重点检测了2号、5号、12号叶片。渗透法简单易行,显示直观,对光洁表面灵敏度高,可发现间隙为0.4μm的微小缺陷。检测结果见表4。2.3.2疲劳损伤产生的原因混流式水轮机转轮的裂纹通常发生在以下应力集中区域:叶片与上冠、下环交接处;叶片进水边靠下环急流转弯处;叶片出水边外缘下部;叶片背面中部;上冠、下环叶片间流道等。无损检测表明安康电厂水轮机转轮的裂纹多产生于叶片进水边头部、背面及叶片与上冠交接处等区域,且在转轮运行多年以后才产生,应是疲劳所致裂纹。检测区气孔、缩孔多,大多来自于铸造方面的原因。有些裂纹产生于气孔、缩孔处并向两侧延伸发展。金属材料的疲劳破坏在交变载荷作用下逐渐累积损伤,产生裂纹及裂纹逐渐扩展,直至最后的破坏过程,大多数机械和其它工程结构在使用过程中都承受交变载荷的作用。据统计,约有50%～90%的机械结构破坏是由疲劳损伤引起的。疲劳破坏由于通常没有明显的宏观塑性变形,因而常常出现突然断裂,造成很大的危害和经济损失。疲劳破坏主要可分为两个阶段,即裂纹形成阶段(达到可检裂纹长度0.25～1mm)和裂纹扩展阶段。试验证明了重复的塑性应变是形成疲劳裂纹的基本原因。金属材料受载超过屈服极限后,将产生塑性变形,此时,应力—应变不再成线性关系。一般结构或构件总有应力相对集中部位(如气孔、缩孔、原始的铸造或锻造裂纹以及结构弯曲处等),于是在工作载荷的作用下,尽管这些结构或构件的总体仍处在弹性范围内,但应力集中部位却进入塑性状态,从而产生疲劳裂纹。安康电厂3号机组转轮大致如此。尤其是长期的低负荷、在振动区域的运行使叶片(尤其是叶片头部)在交变应力作用下产生裂纹并加剧其发展。2.4叶片和流道的气蚀问题混流式水轮机转轮气蚀的主要部位为:叶片背面下部偏向出水边、下环处及下环内表面等部位。安康电厂3号水轮机转轮气蚀主要发生在两个叶片与上冠结合的流道处,靠近前一个叶片的背面,并非通常的气蚀区域。虽然叶片背面易形成负压,但叶片材质为0Cr13Ni6Mo不锈钢,抗气蚀磨损能力强,故在叶片上未产生气蚀;而上冠材质为20SiMn,抗气蚀能力较差,在叶片与上冠结合流道处产生负压时,形成了气蚀,尤其在低负荷、小流量工况下,其气蚀更为严重。具体气蚀部位见示意图1。流道的气蚀检查表明,3号～4号、11号～12号、13号～14号流道间的气蚀轻微,其余流道则气蚀严重。通过对流道相应点开口尺寸的测量,发现气蚀严重的流道开口尺寸与气蚀轻微流道的开口尺寸有差异,这是造成二者气蚀不同的重要原因。不锈钢焊条补焊过的气蚀区域,经过一个周期的运行,补焊层保存完好,表明所用焊条能达到抗气蚀要求,可继续采用此方法修补气蚀区。尾水管边壁的气蚀较以前相比大大减轻,主要是减少了低负荷运行工况,基本消除了空腔气蚀的结果。采用不锈钢焊条补焊后可完全达到抗气蚀要求,也可采用高强度抗磨喷涂材料进行喷涂。3c、p元素含量的影响0Cr13Ni6Mo是低碳合金高强度不锈钢,所谓合金钢,就是为了改善钢的性能加入一种或几种合金元素所制得的钢,目前常用的合金元素有铬、镍、锰、钼、硅、铝、硼、钨、钒、钛等。低碳钢含碳量小于0.25%,此外,还有少量的P、S、Mn、Si等杂质,各元素对钢的性能影响不同。C是钢中的主要元素,对钢的性能影响最大,随着含碳量的增加,钢的强度和硬度增加,塑性和韧性下降。因为含碳量愈多,钢中珠光体愈多,铁素体愈少,珠光体的强度和硬度都比铁素体高,而塑性和韧性则都较铁素体低。磷溶于铁素体使钢的强度、硬度增加,塑性和韧性降低,具有“冷脆性”,其含量必须控制;硫在钢中与铁化合生成FeS,FeS与铁形成共晶体,其熔点为985℃,多存在于晶界,当钢在1000～1200℃进行锻造或轧制时,由于共晶体熔化而使晶粒分离,导致钢沿晶界开裂,具有“热脆性”,硫的含量也必须控制;硅溶于铁素体中,使钢的强度、硬度增加;锰能溶于铁素体,也能溶于渗碳体,使钢的强度、硬度增加,锰还与硫化合形成MnS,从而减少硫对钢的危害作用。一般情况下,硅和锰的含量均很少,故对钢的性能影响不大。3号转轮叶片材质化学成份分析表明,该材质中C、P元素含量超过正常标准要求,其中,C元素含量为0.36%,是标准的4.5倍;P元素含量为0.041%,是标准的1.2倍。而C、P均增加钢的强度及硬度,降低了塑性和韧性,其含量必须严格控制。分析认为,C、P的超标(尤其是C)是转轮叶片产生裂纹的内在原因。对此的处理措施也只能是更换符合现场条件及有关材料标准的新型转轮。4气蚀现象的解决(1)转轮裂纹产生的内因是C、P元素含量超标,外因是长期的疲劳破坏所致。现场条件允许时,建议对2号、5号及12号叶片的裂纹进行处理,处理工艺严格按照原制造厂提供的裂纹处理工艺要求,处理前对处理部位进行测型制模,处理后要用模板检查修复,以保证翼型的良好。对其它叶片的细小裂纹可不做处理,但应做好记录以便观察其发展。(2)气孔、缩孔为铸造缺陷,建议采用胶粘涂层(填充环氧树脂型或填充橡胶型)