技术论文《石泉电厂3#水轮机汽蚀裂纹产生的原因分析及处理》.docx
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技术论文《石泉电厂3#水轮机汽蚀裂纹产生的原因分析及处理》
技术论文
(石泉电厂3#水轮机汽蚀、裂纹
产生的原因分析及处理)
单位:
大唐石泉水力发电厂
姓名:
李亮
时间:
二0一0年七月
石泉电厂3#水轮机汽蚀、裂纹
产生的原因分析及处理
李亮
(大唐石泉水力发电厂,陕西石泉725200)
[摘要]:
石泉电厂装有3台46.4MW机组。
水轮机型号为HL123—HL—4100,额定工作水头39.00m。
最低水头26.00m,设计流量138.5
安装高程▽360.508m,吸出高度-0.8m。
3#机组已于1973年投产发电,1975年2月-1975年3机组第一次大修,检查发现叶片汽蚀轻微,汽蚀平均深度2mm,汽蚀最大深度8mm。
1978年12月机组第二次大修,检查发现转轮1#、3#、4#、5#、7#、8#、11#、13#、14#叶片背面均有不同程度的汽蚀产生。
转轮叶片背面与下环结合处除13#、14#叶片外均有较严重的汽蚀产生。
转轮上冠4#-5#、11#-12#和13#-14#叶片间均有汽蚀产生。
尾水管里衬汽蚀严重;1984年11月-1985年1月机组第三次大修检查发现转轮叶片背面根部均有汽蚀。
14个叶片出水边下环流道均产生汽蚀,9#最为严重。
转轮汽蚀总面积达1.72
,尾水管凑合节从凑合节以下270mm宽一周汽蚀严重,深度在5mm-9mm左右,汽蚀总面积达3.22
。
[关键词]:
水轮机;气蚀;裂纹;分析;检修质量
一.水轮机汽蚀、裂纹产生的原因分析
1.汽蚀的成因
一般自然水中含有一定量的空气,大大降低了水的体积强度。
水流在水轮机中运动,存在某些高速低压区,当该区域水流压力降低到当时水温下的汽化压力Po时,则产生大量气泡。
这些气泡被带到相对的低压高速区时开始被压缩、凝聚以致迅速破裂。
气泡破裂形成高速射流,当气泡半径缩小到原半径的1/50时,该射流速度接近水中音速。
因而产生局部的巨大冲击力(即所谓的水锤压力,可达数百甚至上千个大气压)。
然后被强烈碰撞的水质点又急剧的向相反方向扩散,从而造成该处气泡压力又急剧降低(亦称负水锤压力)。
形成周期性压力脉动。
这种微观射流冲击伴随着水流质点对发生汽蚀部位的金属表面不断的压入和吸出,使该部位金属表面发生微观塑变和材料疲劳。
造成金属结晶颗粒脱落。
当汽蚀反复作用在同一部位时,就会造成金属表面变暗、粗糙,出现蜂窝以致穿孔或断裂等现象。
这是造成水轮机汽蚀破坏的主要原因。
同时,汽蚀过程中气泡被压缩、高速冲击、金属表面的微观塑变产生局部高温氧化、电解作用也加速了汽蚀破坏的进程。
2,转轮叶片裂纹产生原因分析
石泉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
片与上冠连结处等区域,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有一个材料在交变载荷作用下的逐渐累积损
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。
石泉电厂2#机组转轮大致如此。
尤其是长期的低负荷、空负荷运行,更使转轮工况恶化,振动剧烈,使叶片(尤其是叶片进水边)在交变应作用下产生裂纹并加剧其发展。
二,水轮机汽蚀、裂纹的处理
1,水轮机汽蚀处理
(1)汽蚀处理技术要求
1)补焊中严格按照施焊工艺,防止应力集中。
转轮的汽蚀补
焊,也应用对称,轮流,分块焊的工艺。
尾水管里衬补焊面积较大也应采用对称,分块焊的方法。
每块面积不可过大,避免连续施焊;
2)为消除焊接应力,除第一道焊波和退火层外,其余焊波均应
进行锤击。
最好是每焊完一道焊波(暗红色)马上锤击,以松弛焊接收缩应力;
3)对较大汽蚀补焊面积,每一层的焊波接头及层与层之间焊波接头应错开;
4)第二道焊波最少应盖住第一道焊波的1/3。
这样才可以对第一道焊波起到一定的回火作用,从而减少应力集中;
5)在汽蚀补焊过程中,应采用小电流短弧焊施焊工艺,防止因电流太大金属融化较深,热影响区域扩大;
6)在汽蚀补焊过程中,运焊条的速度应均匀,电弧应稳定;
7)焊条使用前应按规定烘干
8)汽蚀补焊最后一层应高出原型表面1mm—2mm为宜,以作为磨削余量
(2)汽蚀处理质量要求
1)转轮叶片型线检查。
按汽蚀破坏最轻的叶片制作型线样板,用该样板检查汽蚀处理后的叶片型线。
叶片表面与样板间的间隙应控制在2mm—3mm之间;
2)打磨的粗糙度应尽量提高,应达到12.5。
因为表面处理粗糙度越高,越不容易产生汽蚀;
3)经打磨处理后的表面不允许有凹凸不平及深度超过0.50mm,长度大于50mm的沟槽。
局部的凹凸细小的沟槽多是汽蚀破坏和加剧的诱因;
4)汽蚀处理区域的边沿与原母材过渡应光滑过度,保持原型线;
5)原尾水管壁内焊疤必须全部磨平。
2,水轮机裂纹的处理
(1)在裂纹(见照片1)的两端刨前在裂纹两端(向外延伸10∽20mm)钻止裂孔.直径为φ6-φ8mm。
在实际的钻止裂孔过程中,由于现场的工作位置以及叶片材质硬度大于钻头的硬度,用钻头打止裂孔进度缓慢,难度很大。
我们采取了用钻头在打孔位置先打出一个定位点,然后使用高速气砂轮机带动的合金磨头,在定位点磨出一个止裂孔,此方法速度快,效果好,使叶片裂纹的处理时间得到大大的提高。
(2)裂纹清理用碳弧气刨,刨前在裂纹附近预热50-100℃。
可用氧-乙炔焰加热,预热范围为裂纹周围200mm。
裂纹应清理干净,表面酸洗(用30%硫酸或5%硝酸),进行宏观检查,至肉眼不见裂纹为
(照片1)
止(可用放大镜),也可用着色探伤法检查。
(3)用碳弧气刨刨开坡口,为防止过热,应间断进行,刨后用砂轮机打出金属光泽。
(见照片2)
(4)坡口型式为K型双面裂纹和单边V型(单面裂纹处)。
(见照片2)
(5)焊前预热:
用氧—乙炔焰在裂纹背面沿裂纹方向移动加热。
温升至150℃后停止加热(可用点温计测),保温4小时。
注意坡口周围应有足够的预热范围。
(6)补焊工艺:
1)焊条用A237,用前应烘干。
2)锤击消除应力(可用风铲),焊一层锤击一遍,可往复锤2∽3次,锤击出麻点即可。
(照片2)
3)锤击温度:
最好在温度高时锤击。
也可在冷却到200℃以下再锤击。
不可在200∽500℃温度下锤击。
4)对于穿透性补焊区,底层不能锤击。
焊缝的表面层均不能锤击。
5)若坡口深度大于20mm,应采用镶边焊,
6)对穿透性裂纹,先在正面焊2∽3道焊波后,在背面用风铲(或碳弧气刨)清除坡口底部熔渣等,然后,在背面施焊,最后,正反轮番施焊。
(见照片3,4)
7)多层焊时,每层焊缝的起弧和收尾要交错。
根部几层用小直径焊条(Ф2.5∽3.2),尽量用小电流,短弧焊要保证焊透。
(照片3)
(照片4)
8)每道焊缝要层搭接上一焊道的1/3宽度以上。
焊至表面时应注意防止咬边。
9)焊满后在表面焊一道退火焊道,注意焊缝应高出周围表面,以保证打磨后无凹坑。
10)焊补后进行适当的保温之后,用砂轮将焊缝按叶面打磨光滑,将退火焊道磨掉,表面光洁度达▽3以上。
(7)探伤
1)先进行外观检查,焊缝和热影响区不应有裂纹和咬边。
2)用超声波探伤,焊缝内不得有裂缝夹渣、气孔、未焊透等缺陷,若有缺陷,须挖开后重新补焊。
三,几点建议
(1)使用新工具。
目前我们使用的国产风动砂轮机重量较重,个别狭窄部位(如上冠流道,叶片根部)一般砂轮机磨不到(现有的太小无法使用),这些部位处理起来十分困难,工作效率低,检修质量难以保证。
现有进口软轴砂轮机转速高,重量轻,可使用多种磨头,应考虑使用。
(2)在汽蚀处理表面涂刷环氧树脂、复合尼龙抗磨涂层,使用合金粉末喷焊等新技术已逐渐成熟,很多电厂使用已取得了较理想的效果,我们应积极探索学习,在我厂推广使用,争取一次处理长期收益,以减少汽蚀处理的费用。
(3)加强检修人员培训。
特别是电焊工技能培训,保证补焊质量。
(4)成立专门的汽蚀处理小组。
现在我厂汽蚀处理工作分工过细,工作中责任不明,工作环节多,工作效率低,检修质量提高阻力大。
在黄河喷涂有限公司我们看到,他们的汽蚀处理工作谁焊谁磨,自己对自己负责。
工作环节少,效率高,检修质量有保证,值得我们借鉴。
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