CN103706996A - 避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，包括以下步骤：A.针对表面开口缺陷和内部缺陷在不同的动应力下的情况，绘制出最大允许当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线；B.根据应力水平，将转轮叶片的出水边划分为几个不同的区域；根据每个区域的最大静应力和动应力，在步骤A的关系曲线中查出最大允许当量缺陷尺寸；C.对转轮叶片出水边的各个区域分别进行无损探伤，找出大于本区域最大允许当量缺陷尺寸的表面开口缺陷或内部缺陷，并进行修复。本发明根据断裂力学和失效分析，结合目标转轮的工作应力确定叶片关键区域允许缺陷的大小，有效地保证了关键区域的质量要求，可以避免混流式水轮机转轮叶片在运行过程中出现裂纹。

Description

避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法

技术领域

本发明涉及水轮机技术领域，具体涉及一种避免混流式水轮机转轮叶片因关键区域存在缺陷而在运行过程中出现裂纹的方法。

背景技术

国内外同行业中，目前对转轮铸件（包括上冠、下环、叶片）进行检验的标准主要按照水力机械铸钢件检验规范CCH70-3执行。该规范中提出一个“质量检验单（QS即Quality Sheet）”的概念。在QS中将部件根据应力水平和重要性划分为不同区域，针对不同区域，实施不同等级的无损检验措施。然而该规范对转轮叶片的检验要求过松，特别是对转轮叶片出水边所在的关键区域甚至不要求进行超声波检验（UT）。实践表明，即便选择该规范中较高要求等级验收，仍然无法保证叶片的质量要求，检验合格的叶片在运行过程中仍然会出现裂纹。

为了保证转轮叶片在运行过程中不会出现裂纹，转轮叶片的关键区域可以允许有多大的缺陷，这仍是一个有待于解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，以克服现有技术存在的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，包括以下步骤：

A.分别以静应力和当量缺陷尺寸为坐标轴，建立平面坐标系，针对表面开口缺陷和内部缺陷在不同的动应力下的情况，分别在所述平面坐标系中绘制出最大允许当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线；

B.根据应力水平，将所述转轮叶片的出水边划分为几个不同的区域；根据每个区域的最大静应力和动应力，在步骤A的关系曲线中查出该区域表面开口缺陷的最大允许当量缺陷尺寸和内部缺陷的最大允许当量缺陷尺寸；

C.对转轮叶片出水边的各个区域分别进行无损探伤，找出大于本区域最大允许当量缺陷尺寸的表面开口缺陷或内部缺陷，并进行修复。

优选地，所述步骤C中无损探伤的手段为超声波探伤、液态渗透探伤、射线探伤或磁粉探伤。

优选地，所述步骤C中对缺陷进行修复的方式是，对于单个缺陷，先将缺陷挖除，然后再进行补焊修复；对于大量密集缺陷，使用经无损检验合格的同材质钢板替换叶片上相应部位的铸件材料。

优选地，所述步骤B中，将所述转轮叶片的出水边划分为三个不同的区域：分别为出水边与转轮上冠连接的上连接区、出水边与转轮下环连接的下连接区、以及位于上连接区和下连接区之间的中间区。

进一步地，对所述上连接区和下连接区进行超声波探伤；对中间区进行液态渗透探伤或磁粉探伤，如果液态渗透探伤或磁粉探伤显示有密集缺陷，再对中间区进行超声波探伤。

进一步地，所述上连接区和下连接区沿出水边方向的长度为300mm，沿垂直于出水边方向的宽度为100mm，所述中间区沿垂直于出水边方向的宽度为50mm。

本发明的有益效果是，根据断裂力学和失效分析，结合目标转轮的工作应力确定叶片关键区域允许缺陷的大小，建立了当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线，考虑了动应力和缺陷类型的影响，从而使得到的允许当量缺陷尺寸更加合理；根据应力水平，对转轮叶片出水边又划分成不同的区域，可以对不同区域适用不同的检测手段和验收标准，以满足不同的区域的质量要求；本发明可以把所有可能造成裂纹的缺陷都找出来，并加以修复，以保证水轮机的可靠运转。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

图1是混流式水轮机转轮叶片的示意图。

图2是根据本发明所建立的最大允许当量缺陷尺寸与静应力的几条关系曲线示例。

具体实施方式

混流式水轮机的转轮叶片装配在转轮的上冠和下环之间，转轮叶片的形状如图1所示，它由四条曲线边所围成，分别是出水边1、上冠连接边2、进水边3和下环连接边4，转轮叶片将通过上冠连接边2与上冠相连接，将通过下环连接边4与下环相连接。

实践证明，在转轮叶片的运行过程中，裂纹最容易发生在出水边附近。因此，转轮叶片出水边需要做为质量保证的关键区域。本发明根据应力水平的不同，进一步将所述转轮叶片的出水边划分为几个不同的区域，按不同的标准进行质量控制。

因此，首先要解决的问题是确定不同区域的应力水平，以及确定在此应力水平下不会导致裂纹产生的最大允许当量缺陷尺寸。然后利用无损探伤的手段对各区域进行探伤，如果发现超过允许当量缺陷尺寸的缺陷，则进行修复，以达到避免转轮叶片在运行过程中出现裂纹的目的。

对于混流式水轮机转轮叶片的分析计算，包括以下步骤：

1、确定混流式水轮机转轮叶片各区域的静态应力值σ：通过有限元计算分析得到转轮叶片各区域的应力分布；

2、决定动态应力的幅值Δσ：即Δσ=2k·σ；k为幅度系数，对于中低水头混流式转轮，k一般取值10%；对于中高水头混流式转轮，k一般取值20%。一般大于200m的为中高水头，低于200米的为中低水头。

3、确定转轮材料：保证转轮叶片各区域静态应力最大值不超过《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》中规定材料的许用最大应力（屈服极限的1/5）。转轮材料确定后，材料的疲劳极限门槛值ΔK_th也就确定了。

4、计算动态应力与允许缺陷尺寸的关系：根据经典断裂力学的公式：，式中：ΔK为裂端应力强度因子；Δσ为动态应力幅值，即Δσ=2k·σ；k为幅度系数，一般取值10%或20%，σ为静态应力。Y为形状因子，对于简化为椭圆形开口缺陷，Y=2.3；对于简化为椭圆形非开口缺陷，Y=1.6；a为缺陷椭圆的长半轴。根据经典断裂力学的理论，当应力强度因子ΔK低于疲劳极限门槛值ΔK_th时，就可以认为疲劳强度是安全的。将ΔK=ΔK_th代入公式

，可计算出最大允许缺陷椭圆的长半轴大小： $a=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th}}}{Y\·\mathrm{\Δ\σ}}\right)}^2$ 。

5、实际缺陷大小a和当量缺陷尺寸D的关系：大量破坏性实验表明,实际缺陷尺寸约为无损检测当量缺陷尺寸的2倍，因此，无损检测得到的当量缺陷尺寸可以认为就是实际缺陷的长半轴a。因此，在疲劳强度安全的情况下，无损检测的最大允许当量缺陷尺寸 $D=a=\frac{1}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{{\mathrm{\ΔK}}_{\mathrm{th}}}{Y\·2k\·\mathrm{\σ}}\right)}^2$ 。

基于上述分析计算过程，本发明一种避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，包括以下步骤：

A.分别以静应力和当量缺陷尺寸为坐标轴，建立平面坐标系，针对表面开口缺陷和内部缺陷在不同的动应力下的情况，分别在所述平面坐标系中绘制出最大允许当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线。在材料确定的情况下，根据上述公式

，对应于Y、k的不同取值，可以分别建立最大当量缺陷尺寸D与静态应力σ的关系曲线。图2示出了以静应力σ为横轴，以超声波探伤（UT）的最大允许当量缺陷尺寸D为纵轴的坐标系，区分椭圆形表面开口缺陷和内部缺陷（非开口缺陷）两种类型，分别建立在不同的动应力水平下的最大允许当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线，图中“10%动应力”、“20%动应力”是指动k的取值分别为10%、20%。

B.根据应力水平，将所述转轮叶片的出水边划分为几个不同的区域；根据每个区域的最大静应力和动应力，在步骤A建立的关系曲线中查出该区域表面开口缺陷的最大允许当量缺陷尺寸和内部缺陷的最大允许当量缺陷尺寸；以该最大允许当量缺陷尺寸作为验收的标准。

C.对于装配前的成品转轮叶片出水边的各个区域分别进行无损探伤，找出大于本区域最大允许当量缺陷尺寸的表面开口缺陷或内部缺陷，并进行修复。无损探伤的手段可超声波探伤、液态渗透探伤、射线探伤或磁粉探伤中的一种或多种的结合。对缺陷进行修复的方式是，对于单个缺陷，先将缺陷挖除，然后再进行补焊修复；对于大量密集缺陷，可以直接将密集缺陷所在部位的铸件材料切掉，然后在相应的缺口上焊接经无损探伤合格的同材质钢板，实现以替换的方式来修复缺陷。视产品运行情况，或铸造阶段的模型分析结果，如有特殊要求，可不经无损检验直接将关键区域的铸件材料切除，换成经无损检验合格的同材质钢板。

经过进一步研究发现，转轮叶片在运行过程中最容易发生裂纹的区域（关键区域）主要分为两类，一类是高应力区域，另一类是交变应力区域。

高应力区域：混流式转轮应力最高的地方有两处，即叶片出水边与上冠、下环的交接处。由于混流式转轮的特性（出水边薄而长），叶片出水边会发生扭振，由于叶片出水边很薄，（大型机组约2～3cm，小型机组不足1cm），而上冠、下环的刚性远远超过叶片出水边，上冠、下环在其与叶片交接处给叶片施加了很大的约束，造成两交接处应力集中。根据《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》中第4.2.2.7规定：“混流式和转浆式水轮机转轮叶片在预期的最大载荷条件下正常运行时，转轮各部位最大应力不应超过材料屈服极限的1/5，该数值也应用于确定允许缺陷大小计算过程中，用来决定计算所用动态应力的最大幅值；在最高飞逸转速时，最大应力不应超过材料屈服极限的2/5。”

交变应力区域：如上所述，由于混流式转轮叶片的出水边薄而长，出水边会发生扭振，根据有限元计算结果得到的扭振图，叶片出水边除了与上冠、下环交接处之外的大部分区域承受交变载荷，虽然数值不大（其最大值出现在出水边的中段，约在正、负1/20～1/40的屈服极限范围之内变化），但交变载荷更易产生疲劳断裂。此外由于流体特性，转轮出水边可能发生卡门涡(von Karman)现象，也会在出水边范围形成一个交变应力场。

因此，如图1所示，本发明步骤B中进一步将所述转轮叶片的出水边1划分为三个不同的区域：分别为出水边与转轮上冠连接的上连接区11、出水边与转轮下环连接的下连接区13、以及位于上连接区和下连接区之间的中间区12。优选地，所述上连接区11和下连接区13沿出水边方向的长度各为300mm，沿垂直于出水边方向的宽度为100mm，所述中间区12沿垂直于出水边方向的宽度为50mm。

在所述步骤C中，对上连接区11和下连接区13进行超声波探伤。对中间区12可进行液态渗透探伤或磁粉探伤，如果液态渗透探伤或磁粉探伤显示有密集缺陷，再对中间区进行超声波探伤。

具体检测方法如下。

超声波检验UT：由于按本发明确定的最大允许当量缺陷尺寸远远小于CCH70-3验收等级的规定，本实施例采用多种不同的UT设备（双晶小探头，斜探头结合）、调整设备率定精度（率定孔为2.4mm）、改变超声波增益等手段，使超声波检验满足了使用需求。

液态渗透探伤PT：根据失效分析，表面开口缺陷造成裂纹的危险性远远高于叶片内部缺陷，故关键区域要求PT检测结果无缺陷显示。

射线探伤RT：作为对于UT的补充。根据产品运行情况，也可不使用UT，直接使用RT。

Claims (6)

1.一种避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，包括以下步骤：

A.分别以静应力和当量缺陷尺寸为坐标轴，建立平面坐标系，针对表面开口缺陷和内部缺陷在不同的动应力下的情况，分别在所述平面坐标系中绘制出最大允许当量缺陷尺寸与静应力的关系曲线；

B.根据应力水平，将所述转轮叶片的出水边划分为几个不同的区域；根据每个区域的最大静应力和动应力，在步骤A的关系曲线中查出该区域表面开口缺陷的最大允许当量缺陷尺寸和内部缺陷的最大允许当量缺陷尺寸；

C.对转轮叶片出水边的各个区域分别进行无损探伤，找出大于本区域最大允许当量缺陷尺寸的表面开口缺陷或内部缺陷，并进行修复。

2.根据权利要求1所述的避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，所述步骤C中无损探伤的手段为超声波探伤、液态渗透探伤、射线探伤或磁粉探伤。

3.根据权利要求1所述的避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，所述步骤C中对缺陷进行修复的方式是，对于单个缺陷，先将缺陷挖除，然后再进行补焊修复；对于大量密集缺陷，使用经无损检验合格的同材质钢板替换叶片上相应部位的铸件材料。

4.根据权利要求1所述的避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，所述步骤B中，将所述转轮叶片的出水边划分为三个不同的区域：分别为出水边与转轮上冠连接的上连接区、出水边与转轮下环连接的下连接区、以及位于上连接区和下连接区之间的中间区。

5.根据权利要求4所述的避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，对所述上连接区和下连接区进行超声波探伤；对中间区进行液态渗透探伤或磁粉探伤，如果液态渗透探伤或磁粉探伤显示有密集缺陷，再对中间区进行超声波探伤。

6.根据权利要求4所述的避免混流式水轮机转轮叶片出现裂纹的方法，其特征是，所述上连接区和下连接区沿出水边方向的长度为300mm，沿垂直于出水边方向的宽度为100mm，所述中间区沿垂直于出水边方向的宽度为50mm。

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