600MW混流式水轮机活动导叶裂纹原因分析及处理

郑建民，敬燕飞，邓 韬，李金伟

（1.国电大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都610041；2.国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源625300；3.国电科学技术研究院有限公司成都分公司，四川 成都610073；4.中国水利水电科学研究院，北京100048）

1 概述

瀑布沟水电站装有6台600MW混流式水轮发电机组，额定出力611MW，额定转速125r/min，额定流量435m3/s。每台机组安装24个活动导叶，沿圆周均布，导叶体高1525mm，宽1120mm，导叶具有三个支撑轴颈，导叶轴瓦采用聚甲醛钢背复合材料，自润滑，分别安置于底环和顶盖上。

活动导叶是水轮机导水机构中的重要部件，起到控制进水流量和截断水流的作用，从而影响水轮机的运行性能与发电效率。在机组运行中活动导叶承受很大的水作用力，这就要求活动导叶具有足够的强度、刚度、抗冲磨、抗汽蚀等性能。大型水轮机活动导叶尺寸和重量大，通常采用整铸成型后精加工方式制造，而活动导叶铸造缺陷在长时间复杂水力作用下，容易成为裂纹源并产生贯穿性裂纹，导致活动导叶损坏，进而造成机组振动摆度增大、损毁转轮、事故停机等事故，严重影响机组的安全稳定运行。

2 活动导叶裂纹概况

2015年6 号机组停机检修时发现19个活动导叶（2号、4号、6号、7号、9～19号、21～24号）共存在134处裂纹。对裂纹按照探伤预检验、裂纹区域确认、导叶端面间隙防护、打磨清理、清根确认、焊接预热、多层多道焊、焊接应力消除、焊接区域保温、焊接修磨、流线修型工艺等流程进行了现场处理，并且补焊区域处理后经无损检测合格。

2016年6 号机组停机检修时对裂纹区域再次进行宏观与无损检测复查，发现前次修补活动导叶中仍有 9个（6号、10号、12号、14号、15号、18号、19号、23号、24号）共存在21条裂纹，最长达180mm，5条为新增，其余16条中的12条离上次修复裂纹位置较近，如图1所示。值得注意的是，在2015年和2016年两次停机检查中1号、3号、5号、8号、20号活动导叶均未发现裂纹。

图1 6号机组活动导叶裂纹情况（2016年）

3 裂纹原因分析

查阅大量的文献可知，近些年混流式水轮机转轮裂纹屡见不鲜，国内如三峡、天生桥一级、刘家峡、岩滩、李家峡、二滩、漫湾、五强溪等水电站[1-5]，国外如美国大古力、巴基斯坦塔贝拉、美国CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原苏联布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克、俄罗斯萨扬舒申斯克、缅甸太平江等水电站[5-6]均出现了转轮裂纹，严重影响了电站的经济效益，对设备安全运行带来重大隐患。此外，混流式水轮机固定导叶也有因卡门涡激振导致裂纹发生的实例[7]，相对而言，活动导叶出现裂纹则极少见于公开报道。

3.1 材质

6号机组活动导叶材质为ZG06Cr16Ni5Mo马氏体不锈钢，采用电炉冶炼，砂型铸造。该钢是在Cr13马氏体不锈钢的基础上，通过大幅度降低含碳量，同时将镍的含量控制在4%～6%范围内，并加入少量的合金元素Mo而形成的。该钢除具有一定的耐腐蚀性能外，还有良好的强度、韧性、可焊性以及耐磨性。

3.2 合金成分分析

使用XRF便携式射线荧光光谱仪对出现裂纹的活动导叶合金成分进行抽查，结果如表1所示，可知活动导叶合金成分符合要求。

表1 活动导叶合金成分抽查结果

3.3 金相组织检验

图2显示了24号、6号活动导叶母材的金相组织，图3显示了裂纹处的显微组织，可以看出：金相检验结果显示组织为回火马氏体+δ-铁素体，出现裂纹的活动导叶中含有大量粗大并具一定位相的δ-铁素体组织，其含量超过15%。活动导叶裂纹呈沿晶形式，在δ-铁素体与回火马氏体的相界面存在微裂纹。

图2 24号、6号活动导叶母材金相组织

图3 活动导叶裂纹显微组织

3.4 原因分析

查询活动导叶供货资料并将炉号、导叶编号及化学成分对应，并按照舍夫勒组织图计算每个活动导叶的铬当量（Creq）、镍当量（Nieq），如图4 和表 2所示。

图4 舍夫勒组织图

表2 活动导叶成分及铬、镍当量

根据中科院金属所在三峡转轮材料研制过程中通过实验数据和实际生产数据的统计图，镍铬当量比（Nieq/Creq）低于0.42时，钢种出现δ-铁素体的几率增大。

图5 Nieq/Creq与δ相的统计图

表3显示了裂纹出现次数较多的活动导叶的镍铬当量比，可见均小于0.42。

表3 裂纹出现次数较多的活动导叶的镍铬当量比

因为提高了 Cr、Ni含量，ZG06Cr16Ni5Mo在Ac1温度附近回火，部分马氏体会较易重新转变成奥氏体，这类奥氏体称为逆变奥氏体。逆变奥氏体细小均匀地分布于马氏体基体中，在几乎不降低材料强度的情况下，提高材料的塑性、韧性，并且具有吸氢作用，避免铸造或焊接时的氢致延迟裂纹。因此，在一定程度上，该钢的性能由逆变奥氏体决定。但是Cr、Ni含量的提升，特别是Cr含量的提升，而Ni含量提升幅度不大，Nieq/Creq变小导致δ-铁素体产生，并且随着Nieq/Creq的减小，δ-铁素体含量明显增加，并且在后续热加工过程中愈难被消除。

4 结论与建议

4.1 结论

活动导叶出现裂纹的直接原因是由于冶金因素造成的δ-铁素体含量过大。由于δ-铁素体与马氏体相比为软质相，2种组织硬度差距较大，在交变应力作用下，δ-铁素体无法向马氏体传递应力，特别是存在杂质相的晶界，往往成为活动导叶的裂纹源。

4.2 建议

对于服役中的活动导叶，必须严格控制修补工艺，并定期进行宏观检查和无损检测，特别是对镍铬当量比低于0.42的活动导叶重点抽检。

如有条件，建议更换所有活动导叶。对于镍铬当量比低的活动导叶，应重点记录，以便后续跟踪检查，同时对新导叶开展全面的无损检测，防止原生裂纹在运行中逐步发展。