水輪機(jī)葉片裂紋原因及預(yù)防措施研究

周春野

摘 要：水輪機(jī)作為重要的水電設(shè)備，是水力發(fā)電行業(yè)中的重要組成部分，一旦水輪機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋，會(huì)對(duì)水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因而加強(qiáng)水輪機(jī)葉片裂紋的原因分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在此基礎(chǔ)上提出合理的預(yù)防措施，從而有效的保證水輪機(jī)的實(shí)際工作效果。本文就此進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)葉片；裂紋；原因；預(yù)防措施

水輪機(jī)是水力發(fā)電行業(yè)中的重要機(jī)械設(shè)備，在實(shí)際應(yīng)用中將水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。近年來(lái)水輪機(jī)葉片裂紋問(wèn)題角明顯，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)的總體運(yùn)轉(zhuǎn)效率，導(dǎo)致電站運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全隱患。針對(duì)此種情況，加大力度對(duì)水輪機(jī)裂紋進(jìn)行原因分析，并提出有效的預(yù)防措施，是當(dāng)前水電站所面臨的一項(xiàng)重要問(wèn)題。

1 水輪機(jī)葉片裂紋的現(xiàn)狀

相關(guān)調(diào)查研究顯示，若水輪機(jī)葉片裂紋的斷口表面能夠觀察到明顯的貝殼線，說(shuō)明水輪機(jī)葉片的裂紋屬于疲勞裂紋，與水輪機(jī)葉片使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)存在密切的聯(lián)系。若水輪機(jī)葉片的裂紋主要形成于葉片的進(jìn)水邊或出水邊的焊縫附近，并保持一定的距離，這說(shuō)明焊接工藝以及熱影響區(qū)材料的脆化點(diǎn)那個(gè)都不是導(dǎo)致疲勞裂紋的原因。

部分水輪機(jī)葉片裂紋呈現(xiàn)明顯額張開和錯(cuò)位情況，裂紋狀態(tài)具有一定的特殊性，主要沿平行焊縫向內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)展，并且擴(kuò)展速度較迅速。若裂紋擴(kuò)展方向偏向于葉片本體，并且擴(kuò)展速度逐漸減緩，則說(shuō)明焊接殘余拉應(yīng)力與疲勞裂紋之間存在一定聯(lián)系，可知焊接拉應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展的實(shí)際影響較大。

通常情況下，在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的替換過(guò)程中，在保證轉(zhuǎn)輪型號(hào)一定的情況下，一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。若水輪機(jī)葉片在實(shí)際應(yīng)用中存在缺陷，在動(dòng)載荷的作用下，疲勞裂紋可能會(huì)提前發(fā)生。但這并不是導(dǎo)致疲勞裂紋出現(xiàn)的根本原因，而水輪機(jī)葉片進(jìn)出邊中部的裂紋則主要是由于葉片的材料存在不足而引起的。

就近年來(lái)水輪機(jī)葉片裂紋的總體情況來(lái)看，新開發(fā)的高效率轉(zhuǎn)輪的發(fā)生裂紋比例要明顯高于其他類的轉(zhuǎn)輪，其中主要以大型轉(zhuǎn)輪和巨型轉(zhuǎn)輪為主。從實(shí)際情況來(lái)看，盡管水力設(shè)計(jì)的水平不斷提高，水輪機(jī)葉片的型線更好的滿足了水流規(guī)律，但是對(duì)葉片的動(dòng)載荷的研究仍存在明顯的不足，有待相關(guān)人員積極進(jìn)行解決，從而最大程度上減少水輪機(jī)葉片裂紋的出現(xiàn)。

2 水輪機(jī)葉片裂紋形成的原因

通過(guò)查閱相關(guān)資料，并對(duì)學(xué)者的研究報(bào)告進(jìn)行分析可知，在馴化載荷的作用下， 水輪機(jī)葉片裂紋形成并擴(kuò)展，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致水輪機(jī)葉片出現(xiàn)斷裂。判斷水輪機(jī)葉片是夠?qū)儆谄谄茐模瑧?yīng)當(dāng)對(duì)材料的實(shí)際承受應(yīng)力幅值以及葉片材料的實(shí)際疲勞限度為基礎(chǔ)因素進(jìn)行分析和判定。

2.1 就疲勞裂紋的實(shí)際特性來(lái)看，只有在拉應(yīng)力作用下，疲勞裂紋才能夠形成并擴(kuò)展，且疲勞裂紋的萌生通常位于葉片的表面，以尖角部位最為明顯。疲勞并不是一朝一夕產(chǎn)生的，是在循環(huán)應(yīng)力作用下形成的，并且塑性變形損傷累計(jì)到一定程度后，便形成疲勞裂紋。疲勞裂紋的擴(kuò)展方向與裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力方向存在密切聯(lián)系，擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)也比較明顯。

2.2 就應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)際影響來(lái)看，它與葉片裂紋的形成存在著密切的聯(lián)系，尤其是在動(dòng)應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力頻率以及環(huán)境介質(zhì)等參數(shù)的作用下，對(duì)疲勞裂紋的出現(xiàn)有著重要的影響。若構(gòu)件所承受的動(dòng)應(yīng)力幅值超過(guò)了材料本身的疲勞極限，則極易導(dǎo)致疲勞裂紋的出現(xiàn)。與此同時(shí)，若動(dòng)載荷幅值過(guò)大，會(huì)加速裂紋的出現(xiàn)。水輪機(jī)葉片的動(dòng)載荷主要來(lái)自于水流的沖擊力，因而在循環(huán)應(yīng)力幅中，拉應(yīng)力時(shí)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的主要因素。

2.3 材料狀態(tài)對(duì)疲勞裂紋的影響

材料的成分、雜質(zhì)含量、組織結(jié)構(gòu)、熱處理狀態(tài)、表面狀態(tài)和缺陷都對(duì)其疲勞性能有直接影響。一般規(guī)律是鋼的疲勞極限與其抗拉強(qiáng)度成正比，但如果強(qiáng)度過(guò)高，塑韌性很低，鋼的脆性很大，一旦疲勞裂紋形成，將會(huì)發(fā)生脆性失穩(wěn)斷裂，造成嚴(yán)重后果。采用不同的制造工藝，構(gòu)件的疲勞性能也不同。鍛造可減少缺陷，使組織致密和細(xì)化，抗疲勞性能較鑄件要好。鋼板材料因精煉后軋制而成，具有良好的抗疲勞性能。葉片的表面狀態(tài)很重要，表面光潔度越高，裂紋萌生需要的時(shí)問(wèn)越長(zhǎng)。有試驗(yàn)表明，將疲勞試樣表面拋光到很高的光潔度，所測(cè)得的疲勞極限值明顯升高。

2.4 葉片裂紋原因分析

目前，轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度計(jì)算仍以靜態(tài)強(qiáng)度校核為主。由于水力計(jì)算還不能提供在某個(gè)穩(wěn)定流態(tài)下，葉片承受載荷的變化情況，即動(dòng)載荷譜，因此，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)以往的實(shí)際的真機(jī)葉片應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，按靜應(yīng)力估算動(dòng)應(yīng)力，判定轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度是否滿足要求。

對(duì)于一些新型高效轉(zhuǎn)輪，由于設(shè)計(jì)時(shí)采用先進(jìn)的流體計(jì)算軟件，葉片形狀變化較大，更加符合水流規(guī)律要求，轉(zhuǎn)輪的效率很高，但對(duì)其引起的疲勞強(qiáng)度變化，特別是大型和巨型轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度，沒(méi)有深入研究。掌握轉(zhuǎn)輪的動(dòng)載荷譜，準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)輪的疲勞強(qiáng)度十分重要。如果能確定產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力的振動(dòng)源，并采取措施消除或減少循環(huán)應(yīng)力幅值，則可保證轉(zhuǎn)輪的安全運(yùn)行。

3 葉片裂紋的預(yù)防措施

對(duì)于混流式轉(zhuǎn)輪，焊接殘余應(yīng)力高是促進(jìn)疲勞破場(chǎng)、的重要原因。研究和改進(jìn)焊接工藝，減少焊接殘余應(yīng)力可減緩疲勞裂紋的產(chǎn)生。通過(guò)增加葉片厚度，特別是出水邊的厚度，可降低葉片的工作應(yīng)力值，即降低了平均應(yīng)力水平，同樣可提高葉片的疲勞強(qiáng)度。

采用精煉等方法可減少葉片的雜質(zhì)含量。葉片中鑄造缺陷有促進(jìn)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的作用，必須采取有效的方法預(yù)防。利用鋼板和電渣重熔坯料熱彎成型的葉片，不但缺陷少，而且組織致密。葉片的加工應(yīng)避免應(yīng)力集中，同時(shí)提高葉片表面潔度和增加葉片進(jìn)出水邊端棱角的圓弧半徑，避免疲勞破壞的表面和尖角效應(yīng)。防止葉片疲勞裂紋的產(chǎn)生不外兩方面的措施，一方面改善葉片的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，即減少動(dòng)載荷幅值，殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。另一方面增強(qiáng)葉片的抗疲勞能力，即提高葉片的疲勞極限值。

應(yīng)當(dāng)保證水輪機(jī)葉片的高應(yīng)力部位的材料質(zhì)量和性能，盡可能提高材料的抗水下疲勞性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)澆口和冒口進(jìn)行合理的設(shè)置，最大程度上避免鑄造過(guò)程中存在缺陷，從而有效的提高水輪機(jī)的實(shí)際工作效能。應(yīng)當(dāng)對(duì)水輪機(jī)葉片的表面光潔度進(jìn)行合理的控制，盡可能減少出水邊應(yīng)力的集中，從而對(duì)葉片裂紋進(jìn)行有效的控制。

結(jié)束語(yǔ)

從宏觀層面來(lái)看，水輪機(jī)葉片裂紋產(chǎn)生的原因與葉片所承受的循環(huán)應(yīng)力幅值過(guò)大存在著密切的聯(lián)系，導(dǎo)致疲勞裂紋出現(xiàn)。就葉片裂紋的實(shí)際情況進(jìn)行分析和研究，我們發(fā)現(xiàn)減小葉片的殘余應(yīng)力是防止葉片裂紋出現(xiàn)的有效方式，并在此基礎(chǔ)上對(duì)抗疲勞制造技術(shù)進(jìn)行研究和探索，盡可能減少疲勞裂紋的出現(xiàn)，從而保證水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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