抽水蓄能電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片失效分析及防護(hù)

張雪超，程 璐，房文軒，云 峰，王文豪

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

隨著光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、核能發(fā)電等新能源發(fā)電方式所占比例的增加，電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰能力提出了更高的要求。雖然火電機(jī)組調(diào)峰性能好，但深度調(diào)峰所帶來的劇烈的負(fù)荷變化以及頻繁的啟停對(duì)火電機(jī)組設(shè)備的壽命造成很大的威脅［1］。抽水蓄能電站調(diào)峰性能好，同時(shí)還可以盡量減少電網(wǎng)中火電機(jī)組的負(fù)荷波動(dòng)和啟停頻率，保證火電機(jī)組在較好工況下平穩(wěn)運(yùn)行，能夠節(jié)約能耗，減少有害氣體排放，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上具有明顯優(yōu)勢［2］。

對(duì)抽水蓄能電站設(shè)備進(jìn)行定期檢修，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題，預(yù)防潛在的風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備利用率，是減少非正常停機(jī)的重要措施［3］。對(duì)于抽水蓄能電站金屬設(shè)備的檢驗(yàn)監(jiān)督執(zhí)行DL／T 1318—2014《水電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》。抽水蓄能電站金屬技術(shù)監(jiān)督的主要部件包含水輪機(jī)部件、發(fā)電機(jī)主要部件、螺栓緊固件以及其他金屬附屬結(jié)構(gòu)件和氣、水、油管道。根據(jù)監(jiān)督規(guī)程要求，各單位做好檢修規(guī)程，認(rèn)真對(duì)待檢修工作，做到到期必修、修必修好。

結(jié)合日常抽水蓄能電站的金屬檢驗(yàn)和監(jiān)督工作，通過分析抽水蓄能電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的失效形式和失效原因，提出相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，為抽水蓄能電站運(yùn)行、維護(hù)、檢修過程中，設(shè)備安全運(yùn)行的保障措施和防治措施提供參考和依據(jù)。

1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片失效案例

DL／T 1318—2014 規(guī)定，對(duì)水輪機(jī)的檢驗(yàn)部件包括大軸、轉(zhuǎn)輪、泄水錐、導(dǎo)葉及操作機(jī)構(gòu)等；對(duì)發(fā)電機(jī)的檢驗(yàn)部件包括大軸、轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇葉片、機(jī)架等；其他檢驗(yàn)部件包括螺栓緊固件、閘門、閥門、管道等［4］。易出現(xiàn)缺陷和失效的部件主要是轉(zhuǎn)輪葉片。

巴西的Itumbiara 水電站在投運(yùn)后很短時(shí)間，在固定導(dǎo)葉上出現(xiàn)多處裂紋缺陷［5］，通過分析，認(rèn)為導(dǎo)葉出口的卡門渦頻率與固定導(dǎo)葉的固有頻率相近，發(fā)生共振；國內(nèi)的小浪底水電站6 號(hào)機(jī)組運(yùn)行1 300 h后，有13 個(gè)葉片在葉片出水邊近上冠處均出現(xiàn)了裂紋缺陷，而且多為貫穿性缺陷裂紋［6］，長約100～400 mm，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的一個(gè)重要原因是葉片出水邊卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率頻率接近，產(chǎn)生的激振力造成葉片產(chǎn)生疲勞裂紋；俄羅斯列寧格勒工廠設(shè)計(jì)的某水電站，運(yùn)行6 年后在葉片出水邊出現(xiàn)多處穿透性裂紋［7］，國內(nèi)的五強(qiáng)溪水電站［8］大修時(shí)也發(fā)現(xiàn)有7 片葉片在葉片出水邊近上冠處有貫穿性裂紋，通過分析，2 個(gè)案例中裂紋都是典型的損傷疲勞裂紋，裂紋產(chǎn)生的主要原因是葉片的動(dòng)應(yīng)力和殘余應(yīng)力。

在某抽水蓄能電站4 號(hào)機(jī)組大修中，9 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片在葉片與上冠、下環(huán)結(jié)合部位均發(fā)現(xiàn)多處圓形缺陷，缺陷直徑分布在1.1～1.9 mm 之間，葉片與上冠結(jié)合部位還存在2 處線性缺陷，其長度分別為2.9 mm、2.1 mm，如圖1 所示。該類缺陷對(duì)水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了潛在威脅。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋位置和檢測結(jié)果顯示

2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的特征與檢測

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的外部環(huán)境和內(nèi)在特征，可將轉(zhuǎn)輪葉片上的裂紋歸為兩類［9］：一類是設(shè)備在短時(shí)間的運(yùn)行后即產(chǎn)生的裂紋缺陷，也稱為非預(yù)期的異常損傷裂紋，這類裂紋缺陷主要是由于快速共振引起的，產(chǎn)生時(shí)動(dòng)載荷頻率高，幅值大，發(fā)生時(shí)間短；另一類是設(shè)備在正常穩(wěn)定的工況下，經(jīng)過較長時(shí)間的運(yùn)行，在轉(zhuǎn)輪葉片上產(chǎn)生的裂紋，也稱為預(yù)期壽命內(nèi)產(chǎn)生的裂紋，這類裂紋為疲勞累積損傷裂紋，其疲勞損傷的累積達(dá)到一定程度后才發(fā)生。

2.1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的宏觀特征及現(xiàn)場檢測

工程人員和研究人員對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生做了實(shí)踐和理論分析［10］，認(rèn)為葉片疲勞裂紋最容易出現(xiàn)在2 個(gè)變截面處： 葉片出水邊與上冠連接處和葉片出水邊與下環(huán)的連接處。這兩處是葉片最大應(yīng)力發(fā)生的部位，也是最容易發(fā)生疲勞破壞的部位。

在實(shí)際檢測時(shí)，主要對(duì)上述部位進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和滲透檢驗(yàn)。通過對(duì)變截面處的表面檢驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)氣孔、微小裂紋等缺陷，預(yù)防事故的發(fā)生。

2.2 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的微觀特征

根據(jù)運(yùn)行特征對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行區(qū)分，可分為規(guī)律性裂紋和非規(guī)律性裂紋。其中，絕大多數(shù)規(guī)律性裂紋具有典型的疲勞裂紋特征［11］，斷口形狀由疲勞裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)3 部分組成，表現(xiàn)為“貝殼”狀或“海灘”狀條紋。規(guī)律性裂紋大部分為貫穿性裂紋，向葉片一側(cè)延伸，走向完全相同，呈不規(guī)則拋物線狀，與上冠夾角逐漸變化到45°左右；計(jì)算發(fā)現(xiàn)最大主應(yīng)力方向與水平方向間的夾角大致為90°左右，近似垂直于裂紋斷面，屬于拉應(yīng)力。

非規(guī)律性裂紋，斷口形狀不規(guī)則，有的呈龜裂紋，有的呈脆性斷口，多半是由于材料缺陷或突變的載荷變化造成。

3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因分析及預(yù)防

3.1 在長期正常運(yùn)行工況下的高周疲勞破壞

對(duì)產(chǎn)生裂紋的水輪機(jī)葉片進(jìn)行失效分析，結(jié)合斷口的形貌和金相特征，可以看到斷口具有典型的疲勞破壞特征。高周疲勞是指零件在小于或遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力的循環(huán)載荷作用下產(chǎn)生的疲勞破壞。其主要特點(diǎn)是： 應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服極限或強(qiáng)度極限；脆性斷裂，沒有顯著的塑性變形；疲勞壽命一般循環(huán)次數(shù)在10 次以上［5］。轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行過程中長期承受較大的交變應(yīng)力載荷。

當(dāng)前大多數(shù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的主要原因是長期交變載荷引起的高周疲勞破壞。一方面需要在水輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮葉片的抗動(dòng)載荷性能，使轉(zhuǎn)輪葉片在較小的交變應(yīng)力下運(yùn)行；另一方面也要考慮擇優(yōu)選材，提高葉片的硬度和強(qiáng)度，提高其抗疲勞能力。

3.2 非預(yù)期的異常損傷破壞

在水輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過程中，要求水輪機(jī)按照設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于環(huán)境、負(fù)荷等因素，運(yùn)行工況會(huì)偏離最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)，導(dǎo)致尾水管渦帶、卡門渦以及葉道渦等產(chǎn)生的激振力頻率與轉(zhuǎn)輪葉片的固有頻率接近或相等，就會(huì)造成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力集中部位產(chǎn)生快速共振裂紋。

非預(yù)期的異常損傷通常需要在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮到葉片的模態(tài)分析，對(duì)于該類異常振動(dòng)，要預(yù)防共振的發(fā)生，需要采用模態(tài)分析方法使水輪機(jī)葉片的固有頻率避開卡門渦等干擾力頻率；另一方面，盡量保證運(yùn)行工況穩(wěn)定，且在設(shè)計(jì)的運(yùn)行工況下進(jìn)行。

3.3 焊接殘余應(yīng)力促使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生失效

在制造過程中，由于焊接工藝不規(guī)范、焊后熱處理不到位的影響，使得轉(zhuǎn)輪葉片在投運(yùn)后依然存在較大的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪及葉片的微小裂紋迅速擴(kuò)展，以至于造成葉片的開裂或斷裂，發(fā)生事故。

防止焊接殘余應(yīng)力導(dǎo)致的轉(zhuǎn)輪葉片失效問題，需要在設(shè)備安裝或維修補(bǔ)焊過程中，嚴(yán)格按照水輪機(jī)設(shè)備焊接工藝規(guī)程要求進(jìn)行焊接和熱處理，并在熱處理24 h 后做好相應(yīng)的檢驗(yàn)工作。

通常情況下，葉片的疲勞損傷由多種因素（如水力壓力、共振負(fù)荷、焊接殘余應(yīng)力等）相互影響、耦合所致。轉(zhuǎn)輪葉片在實(shí)際工作中承受的應(yīng)力通常小于葉片材料的強(qiáng)度極限，但由于受到動(dòng)載荷的持續(xù)作用，經(jīng)過長時(shí)間的持續(xù)作用，最終導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。

4 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理

裂紋處理的關(guān)鍵是找出產(chǎn)生裂紋的根本原因。非規(guī)律性裂紋一般比較好分析，針對(duì)規(guī)律性裂紋進(jìn)行原因分析常比較復(fù)雜。規(guī)律性裂紋進(jìn)行原因分析最有力的手段就是破壞部位的動(dòng)應(yīng)力測試，從應(yīng)力頻譜中分解出構(gòu)成動(dòng)應(yīng)力主要分量的頻率和幅值，進(jìn)而跟蹤查出相應(yīng)的水力激振源。

對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋，首先進(jìn)行機(jī)械打磨，消除裂紋缺陷。為阻止裂紋繼續(xù)延伸，在裂紋兩端打止裂孔，孔徑應(yīng)不小于6 mm，在清理裂紋時(shí)，若有新的擴(kuò)展趨勢，應(yīng)停止清理并追加止裂孔。

當(dāng)打磨程度較大時(shí)，對(duì)缺損部位進(jìn)行補(bǔ)焊處理，補(bǔ)焊過程要制定嚴(yán)格的焊接工藝，從人員、設(shè)備和制度上保證焊接修復(fù)的有效性。同時(shí)也可以在葉片上噴涂抗磨蝕涂層，增強(qiáng)葉片的抗磨蝕性能，減小葉片表面微小裂紋產(chǎn)生的可能性，減少裂紋源。

5 結(jié)語

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片是水輪機(jī)的重要部件，是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵部件，其失效會(huì)影響整個(gè)水電機(jī)組的正常、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，會(huì)造成重大的安全威脅和經(jīng)濟(jì)損失。重點(diǎn)闡述了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片失效的典型形式和特征，并探究了相應(yīng)的原因和預(yù)防措施，最后提出了已發(fā)生失效的處理措施。上述研究未對(duì)各類失效形式進(jìn)行量化分析，在后續(xù)研究中，將增加研究案例，并對(duì)各類失效進(jìn)行模擬與試驗(yàn)對(duì)照分析。