水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋原因及預(yù)防措施研究

【摘要】水輪機(jī)是水力發(fā)電廠的重要機(jī)械設(shè)備，在實際應(yīng)用中將水能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，從而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。近年來水輪機(jī)葉片裂紋問題逐漸明顯，嚴(yán)重影響了水輪機(jī)的總體運轉(zhuǎn)效率，導(dǎo)致電站運行存在嚴(yán)重的安全隱患。針對此種情況，加大力度對水輪機(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重要問題。

【關(guān)鍵詞】水輪機(jī)葉片；裂紋原因；預(yù)防措施

引言

在水輪機(jī)實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的頻繁產(chǎn)生，不僅對機(jī)組安全運行構(gòu)成很大威脅，也給水電廠帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了防止因水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪問題而給水電站的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運行帶來嚴(yán)重威脅，就需要分析轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(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，進(jìn)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)運行。本文論述了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因，并介紹裂紋處理的主要措施。

一、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

1、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片老化嚴(yán)重

眾所周知，任何機(jī)械設(shè)備都是有使用期限的，如果設(shè)備老化到一定程度，必然會出現(xiàn)損壞，尤其是對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片來說，其與水壓發(fā)生作用與反作用力，易產(chǎn)生裂紋。

2、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造材質(zhì)、加工過程存在問題

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片主要材質(zhì)是鋼，如果原材料質(zhì)量不過關(guān)，加工制造的葉片也容易產(chǎn)生裂紋。如果在葉片鍛造過程中，鍛造工藝不過關(guān)，有氣泡存在葉片之中，那氣泡存在的位置就是個隱患源，葉片就會在這個隱患處出現(xiàn)裂紋。

3、轉(zhuǎn)輪振動過大造成葉片裂紋出現(xiàn)

（1）尾水管渦帶所產(chǎn)生的，以低于轉(zhuǎn)速頻率來表現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪振動劇烈造成葉片裂紋。

（2）某些中、高混流式轉(zhuǎn)輪的下止漏環(huán)配置不當(dāng)也會誘發(fā)接近轉(zhuǎn)速頻率的自激振動造成葉片裂紋。

（3）葉片出水邊形狀欠佳所產(chǎn)生的卡門渦振，頻率很高時會使葉片產(chǎn)生裂紋影響轉(zhuǎn)輪使用壽命。

4、水力因素

在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)的規(guī)律性裂紋絕大多數(shù)都屬于疲勞裂紋，斷口呈現(xiàn)明顯的貝殼紋。從力學(xué)及材料力學(xué)上來說，疲勞裂紋的出現(xiàn)就是葉片所承受的動應(yīng)力超過了葉片材料疲勞強(qiáng)度極限的結(jié)果。也就是說葉片承受動載荷的能力不足時，將可能出現(xiàn)葉片裂紋。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動引發(fā)，這可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發(fā)。

5、機(jī)械因素

（1）發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸中心線不重合。

（2）發(fā)電機(jī)組基座松動，或地基不堅實，發(fā)生不均勻沉陷。

（3）水輪機(jī)水導(dǎo)軸承出現(xiàn)故障。

二、水輪機(jī)葉片裂紋預(yù)防措施

1、裂紋無損探傷檢查

在大修時對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行無損探傷檢查，及時處理缺陷，消除事故隱患是十分必要的。嚴(yán)重的裂紋等缺陷用肉眼和放大鏡外觀檢查即可發(fā)現(xiàn)，但較細(xì)小的缺陷和內(nèi)部的缺陷需用無損探傷檢查才能發(fā)現(xiàn)。常用的無損檢測方法有以下幾種：磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、金屬磁記憶、射線檢測等。裂紋集中的部位，由于透照布置比較困難，不能用射線透照法進(jìn)行無損探傷。根據(jù)水輪機(jī)葉片表面比較粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚度變化大的特點，一般應(yīng)采用滲透、磁粉、超聲波和金屬磁記憶的方法進(jìn)行無損檢測。

2、優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計單位在設(shè)計時，一方面要考慮提高水輪機(jī)的效率，另一方面要考慮盡可能減少壓力脈動的現(xiàn)象；在確保水輪機(jī)剛度滿足要求的情況下，充分考慮靜強(qiáng)度的要求，還要避免共振現(xiàn)象發(fā)生；適當(dāng)增加葉片厚度和葉片與上冠、下環(huán)焊縫圓弧過度半徑，能盡量地避免應(yīng)力集中，同時還可采取避開共振區(qū)運轉(zhuǎn)的適當(dāng)措施，防止葉片出現(xiàn)開裂。

3、裂紋清理及開坡口

裂紋鏟除常用兩種方法：風(fēng)鏟和炭弧氣刨。風(fēng)鏟鏟除裂紋所形成的坡口較規(guī)則，易于保證焊接質(zhì)量，但勞動強(qiáng)度大，速度慢，鏟頭可根據(jù)裂紋深度的不同而選用，坡口要求規(guī)則平滑并用30%的硫酸或硝酸酒精清洗；炭弧氣刨可對較深的裂紋進(jìn)行多次吹割，這種方法操作簡便，速度快，但坡口內(nèi)往往有滲碳層，要用異型砂輪磨削。為了防止過熱引起變形和裂紋擴(kuò)展，炭弧氣刨必須間斷使用。

4、補氣充分

水輪機(jī)補氣方式主要有2種，即錐管自然補氣法和主軸中心孔自然補氣法。其中，主軸中心孔自然補氣法的補氣量大致為0.25%～1%的額定流量，通常要在發(fā)電機(jī)頂端設(shè)置補氣閥來避免補氣通道堵塞。

錐管自然補氣法分為2種，分別為十字架補氣法和錐管壁補氣法。十字架補氣法經(jīng)常用于小型水輪機(jī)，它的優(yōu)點是可以降低壓力脈動，缺點是容易被沖掉或發(fā)生空蝕，難以提高工作效率；錐管壁補氣法利用錐管補氣，但當(dāng)真空壓力過高時，會出現(xiàn)無法吸入空氣的現(xiàn)象。有些水電站發(fā)電機(jī)軸頂部設(shè)有大軸補氣裝置，采用自然補氣方法；在頂蓋、底環(huán)和基礎(chǔ)環(huán)上預(yù)留強(qiáng)迫補氣的管道，必要時使用。

5、結(jié)合水輪機(jī)實際運行情況進(jìn)行維護(hù)

根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪振動的原因進(jìn)行分析，如我們常說的水導(dǎo)振動大，也就說明盤車數(shù)據(jù)不合格，推力頭鏡板和推力瓦之間不平行。一般采用處理鏡板與推力頭之間的絕緣墊，使之達(dá)到平衡。以轉(zhuǎn)速250轉(zhuǎn)的機(jī)組為例，一般在水導(dǎo)處，不超過35絲 。停機(jī)定期維護(hù)時，要進(jìn)行盤車，檢查水輪機(jī)大軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的同心度。

結(jié)語

綜上所述，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋缺陷是水電站普遍存在的問題，嚴(yán)重影響著機(jī)組整體的安全運行，因而對此類缺陷的檢查和處理工作是水電廠的重要工作。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生與設(shè)計、制造、運行和材料等因素有關(guān)，其出現(xiàn)的主要原因有水力彈性振動、補氣不力、脈動大、制造質(zhì)量不高、造型不當(dāng)?shù)取榱擞行Э刂坪蜏p少轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行正確的診斷，并積極采取一些有針對性的預(yù)防措施，以避免該問題的發(fā)生，有利于確保水輪發(fā)電機(jī)組的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運行。

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