某水电站主轴裂纹原因分析及措施.pdf

:./.某水电站主轴裂纹原因分析及措施王晨山周云飞武 鑫张洋洋(甘肃电力科学研究院技术中心有限公司甘肃 兰州)摘 要:该文以某水电站 机组主轴在使用过程中出现裂纹情况为研究对象采用现场调查、无损检测、理化检验的方法研究了主轴裂纹产生原因总结出是应力集中、安装工艺、运行条件等多方面综合作用产生了疲劳裂纹 并根据水电站生产现场的实际情况提出了运维、检修等方面的优化改进措施关键词:主轴裂纹焊接缺陷应力集中疲劳中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言某水电站 机组为灯泡贯流式机组额定功率 水轮机型号 额定转速./额定水头.最大水头.额定过机流量./主轴与转轮连成一整体构成水轮机转动部分它的作用是将水轮机所获得的转矩传递给发电机轴使发电机旋转而发电 在机组运行过程中主轴浸泡于水中承受转轮重力和不平衡力弯矩产生的交变应力 随着时间的推移抗磨环、联轴螺栓等应力集中部位可能发生失效断裂给人身设备安全造成重大隐患严重影响水电厂的安全运行笔者针对某水电站主轴裂纹问题通过进行现场检查检测综合分析得出主轴出现裂纹的原因并提出优化改进措施为同类型水电机组提高设备可靠性及安全长期稳定运行提供借鉴意义 主轴裂纹基本情况某水电站 机组在 年 月更换新轴后投入运行至 年 月已运行 年约 其间运行状况良好机组振动摆度不大 水轮机额定功率 额定转速./主轴直径 为 材料整锻成型 年 月 日该水电站 机组在运行过程中水导轴承密封处出现异常振动和磨碰声响停机检查发现主轴在抗磨环下游根部存在裂纹主轴裂纹位置示意图(密封抗磨环已取下)如图图 主轴裂纹位置、所示裂纹离密封抗磨环左侧沟槽为 离密封抗磨环右侧端(焊脚)约 在焊角的热影响区还处在法兰圆角 的应力集中区裂纹沿焊缝熔合线扩展图 主轴裂纹位置图示 机组停机检查发现 个 的螺栓中有 个电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用收稿日期:作者简介:王晨山()男甘肃兰州人工程师研究方向:失效分析彻底断裂 个出现较明显裂纹另外 个螺栓出现明显松动 个断裂螺栓大部分断口在法兰与转轮体结合面的螺纹处 对转轮室和转轮叶片进行宏观检查未发现叶片外径与转轮室间的碰磨痕迹主轴与转轮之间的联轴螺栓松动、断裂将使主轴受力发生变化 并可能是导致主轴产生裂纹的原因之一 联轴螺栓松动将导致转轮体在机组启动和变负荷运行时受到冲击力这个力传到主轴就是一个动载荷 联轴螺栓松动将使主轴法兰面与转轮体接合面产生分离分离的主轴法兰会导致角焊缝的应力集中系数加大 部分联轴螺栓断裂后转轮体会产生侧斜加大转轮的质量不平衡力使主轴交变应力加大 密封抗磨环焊接情况对密封抗磨环刨下后切口进行外观判断如图 所示焊缝尺寸沿周向呈现不规则、不均匀情况实际焊角尺寸大于 远大于设计图中给出的 焊角 从图 可以看出裂纹的周向走向是沿着抗磨环与主轴的焊缝边缘前行的主轴残留焊缝还存在气孔等焊接缺陷 由此可以判断此处的角焊缝成型尺寸和质量未得到有效控制焊接后没有经过打磨和检测此气孔等缺陷的存在将会引起新的应力集中图 主轴密封抗磨环 图 主轴焊缝宏观形貌下后切口 卧轴机组主轴通常都存在旋转弯曲水下腐蚀疲劳破坏在主轴的疲劳区域应尽量避免动火焊接否则焊接的缺陷及残余应力会导致裂纹萌生和扩展由于焊接接头焊趾处的焊接缺陷、应力集中和残余拉伸应力的作用其疲劳强度将低于母材金属的疲劳强度 焊接结构的疲劳强度取决于接头的疲劳性能即焊接接头的抗疲劳性能根据主轴抗磨密封环焊接处外观判断角焊缝周向尺寸不规则、不均匀焊趾处是杂乱无序的 焊接后没有进行打磨和必要的渗透、超声等无损检测 主轴残留焊缝存在气孔等焊接缺陷说明角焊缝的焊接尺寸和质量是失控的 机组主轴裂纹的圆周走向是沿着角焊缝边缘前行的说明疲劳是从轴表面的这些地方起始的 水下介质的影响主轴 材料在空气中的弯曲疲劳极限为 当主轴旋转超过 .次数后材料的疲劳强度将不再降低一直保持不变具有无限寿命 而在水介质中由于水的腐蚀作用水下疲劳极限是随循环次数逐渐降低的一年约(.)为 年约(.)为 年的运行寿命期内空气中的材料的疲劳强度比水中疲劳强度要高出近.倍 因此避免主轴疲劳区域进水也是关键所在 试验检测.渗透及超声检测取下主轴宏观检查裂纹处的密封抗磨环后先打磨使其露出金属光泽再依次进行渗透检测及超声波检测渗透检测发现主轴根部整环约 范围存在裂纹如图 所示 超声检测发现最浅处裂纹深度约为 最深处裂纹深度约为 图 主轴裂纹渗透检测形貌.硬度检测用型号为 便携式里氏硬度计分别对主轴轴身、裂纹附近进行硬度检测本体和裂纹附近硬度无明显差别主轴硬度在 之间硬度基本均匀根据/钢铁硬度与强度对照表抗拉强度为 左右满足标准/中抗拉强度应 要求与主轴合格证的性能检验报告测试结果相符检测结果如表 所列表 轴身及裂纹附近硬度检测结果测试部位硬度 测点 测点 测点 测点 测点 裂纹附近主轴轴身.裂纹和焊缝局部表面低倍检测用硝酸酒精溶液对裂纹附近及轴身进行低倍酸洗在主轴周向裂纹附近和轴向均发现了宽度约为 的焊缝痕迹裂纹周向分布在焊缝痕迹的临近位置并沿焊缝熔合线扩展如图 所示 在轴身上存在两条纵向堆焊痕迹长度与抗磨环宽度接近两处纵向焊缝周向间隔约为 轴向焊缝附近未发现裂纹 经与安装单位沟通在安装抗磨环时采用搭机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)电力与装备焊方式固定焊材选用的是不锈钢焊材低倍酸洗后母材与焊缝组织存在明显差异图 周向裂纹处低倍检测照片.焊缝区域及母材金相检测对裂纹附近和轴身本体进行打磨抛光浸蚀后用便携式显微镜观察本体组织为珠光体铁素体晶粒度为 级如图 所示 靠近熔合线处组织为珠光体铁素体晶粒度为 级未见晶粒粗大情况如图 所示 两处金相组织和晶粒度无明显差异符合正常的正火回火后组织状态 而临近裂纹处有明显的焊接组织形貌痕迹如图 所示 因焊缝为不锈钢材料在硝酸酒精腐蚀下未显现组织形貌如图 所示 裂纹附近焊缝存在多处小气孔气孔处存在轴向微裂纹个别微裂纹贯穿气孔并沿垂直于焊缝方向扩展长度为整个焊缝宽度如图、所示图 主轴本体组织 图 靠近熔合线本体组织 图 熔合线组织 图 焊缝处裂纹组织 图 焊缝位置气孔 图 焊缝位置微裂纹 主轴裂纹原因分析综上所述主轴金相组织和硬度正常原始材料质量符合标准要求出现裂纹的原因比较复杂应力集中、安装工艺、运行条件等方面都会影响到主轴的寿命具体主轴出现裂纹的可能原因有以下几点()主轴密封抗磨环端部位置存在角焊缝产生较大应力集中()角焊缝焊接质量失控焊后没有进行打磨修整和无损检测可能存在焊接缺陷和焊接残余应力形成裂纹源()主轴与转轮之间联轴螺栓松动、断裂使主轴受力发生变化导致主轴裂纹加速产生、扩展()主轴(密封抗磨环段)浸泡于水中承受转轮重力和不平衡力弯矩产生的交变应力随着时间的推移大轴所承受的水下腐蚀疲劳强度逐年降低 总结及建议文中以某水电站 机组主轴裂纹为研究对象通过现场宏观检查、渗透检测、超声检测、硬度检测、金相检测等试验检测手段结合主轴运行条件、安装工艺等方面因素得出主轴裂纹是由卧轴旋转弯曲水下腐蚀疲劳破坏引起的 由此提出以下几点建议()现场焊接质量难以保证应尽量避免在主轴上进行焊接作业确需进行焊接应制定适宜的现场焊接工艺方案并严格控制各工序质量若发现气孔裂纹等易形成应力集中的焊接缺陷应及时消除()改进主轴密封环装配结构、方法如采用法兰连接、涂抹润滑脂等方式以阻止水的浸入防止水下疲劳的产生提高主轴寿命()在机组检修过程中对其他机组相同部位重点进行宏观检查、无损检测若发现气孔、裂纹等缺陷应进行彻底消除()在机组运行期间加强监控重点监控机组主轴的振动摆度值、轴瓦瓦温、调速回油箱和轮毂高位油箱油位等参数若发现异常应及时停机检查参考文献:张冰雪.大渡河安谷水电站 号水轮机主轴密封处理方式新探.四川水力发电():.董岚枫.大型水轮机主轴锻造过程裂纹缺陷的预防.清华大学学报(自然科学版)():.游 涛.水轮机主轴密封漏水事故原因分析及处理措施.广东水利水电():.王哲亮.水轮机主轴裂纹原因分析及处理.大电机技术():.张刚宪.水电站卧式机组主轴磨损缺陷原因分析及处理方法/.年云、贵、川、湘、桂、粤、青七省(区)水电站运行检修技术交流研讨会论文集:.电力与装备 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用