混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因及預(yù)防措施的探討

【摘 要】混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋故障嚴(yán)重影響了水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。本文就混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因及預(yù)防措施進(jìn)行了探討，結(jié)合了具體的工程實例，對機(jī)組運(yùn)行情況和轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象作了詳細(xì)的闡述，分析了產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)有效的措施，以期能為預(yù)防混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪措施裂紋而提供參考。

【關(guān)鍵詞】混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪裂紋；原因；預(yù)防措施

所謂的混流式水輪機(jī)，又稱法蘭西斯水輪機(jī)，水流從四周徑向流入轉(zhuǎn)輪，然后近似軸向流出轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪由上冠，下環(huán)和葉片組成。其結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機(jī)型式之一。但是，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片若出現(xiàn)裂紋故障，將會嚴(yán)重影響水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮，所以必須及時采取措施針對裂紋故障現(xiàn)象進(jìn)行治理，以確保水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 概述

某水電站第一臺機(jī)組投運(yùn)后的停機(jī)維護(hù)中就發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋，在后續(xù)機(jī)組維護(hù)中同樣發(fā)現(xiàn)了葉片裂紋。某水電站首臺機(jī)組投運(yùn)至今已近15年，但是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋頻現(xiàn)的狀況并未徹底消除，每年輪修中幾乎都會發(fā)現(xiàn)裂紋，裂紋處理已成為每年機(jī)組檢修中的主要工作。

1.1 機(jī)組運(yùn)行情況

目前已建成水電站中調(diào)節(jié)性能較好的特大型骨干電源，不僅每年向系統(tǒng)提供巨大的清潔電力能源，并在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓和事故備用等任務(wù)，在我省電網(wǎng)中發(fā)揮著重要的作用。

1.2 水輪機(jī)基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)特點

水輪機(jī)額定功率為582MW，最大功率為612MW，公稱直徑6257mm，額定轉(zhuǎn)速142.9r/min，額定水頭165m。

轉(zhuǎn)輪為全不銹鋼分瓣鑄焊結(jié)構(gòu)，#1葉片和相對的#7葉片對稱分剖，共13個葉片轉(zhuǎn)輪上冠、葉片、下環(huán)的材質(zhì)均為ASTMA743MGradeCA-6NM馬氏體不銹鋼。

轉(zhuǎn)輪上冠把合方式為卡栓式結(jié)構(gòu)。與以往的螺栓把合結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)可以減薄上冠的壁厚，從而節(jié)省昂貴的不銹鋼材料。

葉片采用數(shù)控機(jī)床加工，葉片最大厚度為188mm。轉(zhuǎn)輪下環(huán)為分瓣鑄造，整體加工，分瓣面在廠內(nèi)開坡口，工地焊接。轉(zhuǎn)輪在廠內(nèi)粗平衡，工地精平衡時允許不平衡力矩為455N·m。為減小上冠水推力，在頂蓋上設(shè)置了減壓板，減壓板的設(shè)計經(jīng)模型試驗驗證，排除了機(jī)組飛逸時轉(zhuǎn)輪上浮現(xiàn)象，滿足用戶對轉(zhuǎn)輪水推力的要求。

泄水錐采用薄鋼板焊接，除法蘭板外，其余鋼板厚度僅為20mm，且導(dǎo)流鋼板不與轉(zhuǎn)輪上冠出水口焊接，間隙為33mm，作為上冠泄漏水通道之用。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象

根據(jù)對某水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋的位置、出現(xiàn)頻次的統(tǒng)計，轉(zhuǎn)輪裂紋主要表現(xiàn)為以下現(xiàn)象：（1）產(chǎn)生裂紋的位置超過90%位于葉片的出水邊，尤以出水邊與下環(huán)連接處最多，其次為上冠連接處；（2）同一部位裂紋重復(fù)出現(xiàn)的比例較高；（3）轉(zhuǎn)輪分瓣面焊縫附近出現(xiàn)裂紋的幾率最大且裂紋較長；（4）裂紋出現(xiàn)的位置基本固定在葉片出水邊與上冠、下環(huán)的連接焊縫處以及焊縫熱影響區(qū)內(nèi)。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因分析

從1998年8月第一臺機(jī)組投運(yùn)以后，某水電站6臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片相繼出現(xiàn)了不同程度的裂紋，截止到2013年4月，6臺水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪共發(fā)現(xiàn)80余條裂紋，大部分出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠連接處、葉片出水邊與下環(huán)連接處、轉(zhuǎn)輪分瓣面焊縫附近等位置。經(jīng)分析得知，轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的主要原因如下。

3.1 轉(zhuǎn)輪變形影響

轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊是強(qiáng)度最薄弱的位置，分瓣轉(zhuǎn)輪在分瓣面處剛度不連續(xù)，在葉片出水邊產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而形成薄弱環(huán)節(jié)，同時，葉片出水邊為水流脫流部位，該處相對空蝕嚴(yán)重，在歷次檢修檢查中發(fā)現(xiàn)該處的空蝕深度近5mm，空蝕的破壞作用加劇了強(qiáng)度薄弱情況，也惡化了該處的受力環(huán)境。

3.2 應(yīng)力破壞

某水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用分瓣現(xiàn)場組焊結(jié)構(gòu)，由于條件所限，不能進(jìn)行整體回火熱處理而采用局部高溫回火，其僅能消除部分應(yīng)力，殘余應(yīng)力較大。另外，轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上，一般認(rèn)為，轉(zhuǎn)輪葉片存在四個高應(yīng)力區(qū)，它們的位置在葉片進(jìn)水邊正面（壓力分布面）靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處以及葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)，某水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋幾乎都出現(xiàn)在這幾個區(qū)域內(nèi)。由此可見，應(yīng)力破壞是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的一個重要因素。

3.3 鑄造及焊接缺陷

大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片均采用整體鑄造，從而不可避免地存在鑄造氣孔、鑄造砂眼等內(nèi)部缺陷。轉(zhuǎn)輪在制造過程中，采用葉片與上冠和下環(huán)焊接聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，焊接過程中夾渣、氣孔等缺陷造成局部應(yīng)力集中；另外，在轉(zhuǎn)輪散件組焊過程中，由于各種原因焊縫中也會存在氣孔、夾渣等缺陷，這些缺陷在外部應(yīng)力的作用下可能會成為裂紋源，如果在焊接過程中消氫處理不徹底，也會導(dǎo)致氫致延遲裂紋的發(fā)生。

3.4 水力振動導(dǎo)致的疲勞破壞

某水電站在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，負(fù)荷變化大，水輪機(jī)在振動區(qū)附近運(yùn)行時間較長，水輪機(jī)葉片承受的交變應(yīng)力大，在各種穩(wěn)定與非穩(wěn)定水流的激振作用下，如卡門渦、尾水管渦帶振動、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力的波動等因素產(chǎn)生的干擾激振力使水輪機(jī)葉片產(chǎn)生振動。當(dāng)激振頻率與葉片的固有頻率接近時將會產(chǎn)生共振，共振的發(fā)生極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的破壞。由此產(chǎn)生的動應(yīng)力是葉片產(chǎn)生裂紋的另一個重要因素。

3.5 焊接處理的影響

處理轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的傳統(tǒng)工藝是對缺陷部位進(jìn)行徹底地清理、打磨，然后補(bǔ)焊。焊接過程中需進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊中保溫、焊后消氫等控制措施，但是不斷地加熱、焊接、打磨也造成了轉(zhuǎn)輪內(nèi)應(yīng)力的增加，一定程度上導(dǎo)致了裂紋的重復(fù)發(fā)生。

3.6 負(fù)荷頻繁調(diào)整的影響

AGC控制實質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷“差值”進(jìn)行調(diào)節(jié)，而系統(tǒng)負(fù)荷總在不斷地變化，新的負(fù)荷給定值總在不斷地下發(fā)，AGC的調(diào)節(jié)將不斷進(jìn)行，因此，發(fā)電廠在投入AGC后，機(jī)組運(yùn)行時“調(diào)節(jié)過程”所占的時間將遠(yuǎn)大于“非調(diào)節(jié)”的時間，大部分機(jī)組的運(yùn)行工況由原固有的靜態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為動態(tài)運(yùn)行，動態(tài)調(diào)節(jié)成為發(fā)電機(jī)組的常有工況，這對于某水電廠AGC投運(yùn)前根據(jù)頻率和斷面潮流進(jìn)行人為手動調(diào)整的運(yùn)行方式是一個巨大的轉(zhuǎn)變。

3.7 頻繁跨振動區(qū)的影響

在AGC投運(yùn)前，運(yùn)行人員主要根據(jù)電網(wǎng)頻率和電網(wǎng)斷面潮流進(jìn)行有功調(diào)整，可人為地對每臺機(jī)組的有功負(fù)荷進(jìn)行單獨調(diào)整，亦可對負(fù)荷變化趨勢進(jìn)行預(yù)判，具有一定的靈活性，能最大限度地避免機(jī)組頻繁地跨越振動區(qū)。在AGC投運(yùn)后，系統(tǒng)無法對負(fù)荷變化趨勢進(jìn)行預(yù)判，機(jī)組是否跨越振動區(qū)運(yùn)行完全由負(fù)荷情況決定，當(dāng)AGC有功設(shè)定值與實際值超差大于跨振動區(qū)有功死區(qū)且機(jī)組不跨越振動區(qū)無法調(diào)整時，就會有機(jī)組跨越振動區(qū)運(yùn)行。

3.8 超出力運(yùn)行的影響

機(jī)組超額定出力長時間運(yùn)行，增大了轉(zhuǎn)輪等部件的機(jī)械受力，也易導(dǎo)致葉片疲勞損壞。

4 轉(zhuǎn)輪裂紋的處理及預(yù)防措施

4.1 處理方法

自投運(yùn)以來，6臺機(jī)組轉(zhuǎn)輪均出現(xiàn)了數(shù)量不等的葉片裂紋情況。因此，根據(jù)多年檢修管理經(jīng)驗，充分利用每年機(jī)組年度檢修的機(jī)會對轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠、下環(huán)連接處進(jìn)行表面滲透探傷，對轉(zhuǎn)輪葉片其它部位進(jìn)行肉眼檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在的裂紋并及時處理，避免了其進(jìn)一步擴(kuò)展。針對轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象，專門制定了適合某水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的處理工藝，取得了良好效果。

4.2 預(yù)防措施

對分瓣轉(zhuǎn)輪來說，產(chǎn)生裂紋不足為奇，也可能是難以避免的。裂紋發(fā)生的過程也是轉(zhuǎn)輪內(nèi)應(yīng)力釋放的過程。只要排除結(jié)構(gòu)設(shè)計和水力設(shè)計本身的原因，其它均可以通過后期處理得以解決。隨著時間的推移，內(nèi)應(yīng)力逐步得以釋放，葉片的裂紋情況也會越來越少，直至完全消失。運(yùn)行中采用的主要預(yù)防措施如下。

（1）堅持避振運(yùn)行。水輪機(jī)由于其自身的能量特性、汽蝕特性和強(qiáng)度條件的限制，有一定的運(yùn)行限制范圍，因此，應(yīng)在水輪機(jī)全水頭性能試驗的基礎(chǔ)上合理的確定出其運(yùn)行限制區(qū)（即振動較大的區(qū)域），盡量避開該區(qū)域運(yùn)行，以減少水力振動對轉(zhuǎn)輪的破壞。這是避免轉(zhuǎn)輪裂紋的最重要措施，已經(jīng)為多個電站的運(yùn)行實踐所驗證。在穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷區(qū)，機(jī)組各部振動基本穩(wěn)定在一個較小的值，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)（例如水導(dǎo)擺度穩(wěn)定在60～70μm）；在許可運(yùn)行負(fù)荷區(qū)，機(jī)組各部振動相對較大且時有跳變，水輪機(jī)尾水管有渦帶產(chǎn)生，尾水管處有較大的噪音；而在禁止運(yùn)行負(fù)荷區(qū)（即振動區(qū)），機(jī)組的振動達(dá)到了有害的地步，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性明顯變差，整臺機(jī)組呈現(xiàn)陣歇性的振動，振動值維持在一個相當(dāng)高的值且伴隨有很大的噪音。對此，我們制訂了嚴(yán)格的運(yùn)行守則，確保了機(jī)組最大限度地避開振動區(qū)運(yùn)行。某水電站6臺機(jī)組轉(zhuǎn)輪最近幾年裂紋發(fā)生次數(shù)逐漸減少，主要是堅持避振運(yùn)行措施取得的成果。

（2）加強(qiáng)檢查。目前，對于運(yùn)行中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生、發(fā)展的監(jiān)測還沒有有效手段，因此，每年的定期檢查是唯一有效的方法，檢查中應(yīng)對轉(zhuǎn)輪葉片的四個高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行全面的無損探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋，及時進(jìn)行徹底地處理，防止其擴(kuò)展惡化。

（3）嚴(yán)格執(zhí)行處理工藝。在處理裂紋時，要按工藝要求嚴(yán)格執(zhí)行。對嚴(yán)重的裂紋應(yīng)制定專項的處理工藝；對重復(fù)出現(xiàn)裂紋的葉片加大根部圓角半徑；在處理轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)連接處的裂紋時，應(yīng)將葉片出水邊與下環(huán)相接處的平滑過渡的倒角根部厚度加大，倒角直徑增大，改善其受力狀況。對預(yù)熱溫度、焊接電流、焊接速度、層間溫度要嚴(yán)格控制，每層的錘擊要徹底，焊后消氫保溫時間要夠，控制好每個環(huán)節(jié)，確保裂紋處理的質(zhì)量。

5 結(jié)語

綜上所述，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的可靠性比水力性能更重要，并且若混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋故障，將會嚴(yán)重影響水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。因此，為了防止因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的問題而給水電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅，就需要認(rèn)真分析裂紋產(chǎn)生的原因，采取有效的措施進(jìn)行預(yù)防控制，以降低水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的發(fā)生，從而提高水輪機(jī)的安全穩(wěn)定性，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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[責(zé)任編輯：劉帥]