某電站轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及處理方案

蘇艷意

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

混流式水輪機在運行過程中轉(zhuǎn)輪葉片易產(chǎn)生裂紋，在中高比速混流式機組中這種現(xiàn)象更為常見。已投運的國內(nèi)外水輪發(fā)電機組，如巖灘、五強溪、美國大古力等大型水電站在機組投運后水輪機轉(zhuǎn)輪均不同程度地出現(xiàn)了裂紋[1-4]。轉(zhuǎn)輪裂紋的出現(xiàn)嚴重影響電站的安全運行和經(jīng)濟效益，需高度重視。

某電站裝有3臺150 MW立軸混流式水輪發(fā)電機組，水輪機基本參數(shù)為：最大水頭86.2 m，額定水頭80 m，最小水頭75.3 m，轉(zhuǎn)輪直徑4.8 m，額定轉(zhuǎn)速142.9 r/min，額定出力153.06 MW，最大出力168.37 MW。該電站自投入運行以后，隨著運行時間的加長，3臺水輪機轉(zhuǎn)輪均不同程度的出現(xiàn)裂紋，據(jù)統(tǒng)計從2013年至2017年期間，3臺機組累計出現(xiàn)裂紋共121條，其中貫穿性裂紋23條，裂紋長度最長達230 mm，且轉(zhuǎn)輪同一部位出現(xiàn)裂紋的次數(shù)較多，該電站轉(zhuǎn)輪葉片上冠貫穿性裂紋形貌圖見圖1。

由圖1可以看出，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋連續(xù)幾年均發(fā)生于同一部位，其裂紋形態(tài)及擴張趨勢基本一致，2016年圖中1葉片裂紋形貌由端角焊縫邊緣向內(nèi)呈樹枝狀擴展；此外在該圖中裂紋修復部位附近伴有大大小小的氣孔缺陷，可以明顯看出，裂紋沿氣孔分布方向發(fā)展，氣孔逐步串聯(lián)，加速裂紋擴張。

按一般經(jīng)驗來說，混流式機組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋以后，若及時處理，理論上來說其數(shù)量和發(fā)展趨勢應呈現(xiàn)收斂的狀態(tài)，但隨著年份的增長，該電站轉(zhuǎn)輪發(fā)生裂紋的葉片數(shù)量呈上升趨勢，而裂紋發(fā)展趨勢和裂紋數(shù)量卻無一定的規(guī)律。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片上冠貫穿性裂紋形貌圖

1 裂紋原因

轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因是多種因素的疊加，其基本原因是葉片承受動載荷的能力不足。根據(jù)裂紋的情況和特點進行具體分析，找出導致裂紋發(fā)生和發(fā)展的直接原因，才能有效地采取相應措施。

1.1 轉(zhuǎn)輪強度分析

用Ansys軟件對葉片強度進行分析，先進行有限元網(wǎng)格劃分，采用每個節(jié)點具有3個自由度的塊體單元，共劃分715單元，1 542個節(jié)點?？紤]兩種工況進行分析計算：最大水頭發(fā)最大出力工況和飛逸工況，其中最大水頭發(fā)最大出力工況包括水壓力、離心力和重力3種載荷；飛逸工況只有重力和離心力。最大水頭發(fā)最大出力，轉(zhuǎn)輪應力分布見圖2，飛逸工況下轉(zhuǎn)輪應力分布見圖3。

轉(zhuǎn)輪在各個工況下的應力和變形計算結(jié)果見表1。

圖2 轉(zhuǎn)輪在最大水頭下的應力分布圖

圖3 轉(zhuǎn)輪在飛逸工況下的應力分布圖

表1 轉(zhuǎn)輪強度分析計算結(jié)果表

剛強度分析計算表明：轉(zhuǎn)輪在最大水頭發(fā)最大出力工況下，其最大應力僅為98.3 MPa，在飛逸工況，其最大應力僅為113 MPa，均滿足合同要求。

由圖2和圖3應力分布圖可知，轉(zhuǎn)輪的主要應力區(qū)分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊，集中在葉片出水靠近上冠和下環(huán)處以及葉片出水邊正面的中部，這些部位在機組運行中受力過大，易產(chǎn)生裂紋。

1.2 機組運行狀態(tài)

轉(zhuǎn)輪裂紋與機組運行穩(wěn)定性有關，而穩(wěn)定性與機組運行過程中壓力脈動有關。根據(jù)該電站2016年和2017年水情信息實時記錄表中記錄的發(fā)電負荷、發(fā)電流量及水情系統(tǒng)測值等數(shù)據(jù)，可以得出機組全年每月每日每時的運行工況點分布圖，見圖4。

圖4 電站2016、2017年機組運行工況點分布圖

從圖4中可以看出：

1)在額定水頭80 m以下，機組運行所帶負荷超過廠家保證的出力運行范圍，存在不同程度的超出力運行，此時蝸殼進口壓力脈動、頂蓋壓力脈動、錐管上游和下游的壓力脈動等都會快速上升，壓力脈動的增大使得機組振動較大。水輪機運行在振動較大區(qū)間時，轉(zhuǎn)輪葉片承受的動載荷較大，導致葉片焊縫內(nèi)部及熱影響區(qū)在機組運行的離心力下產(chǎn)生裂紋甚至加快裂紋的蔓延。

2)機組在額定出力60%以下運行的情況存在，且有一定的運行時間。混流式機組振動區(qū)在額定出力的20%～60%之間，機組在空載或小負荷運行時，頂蓋水平和垂直振動、蝸殼和尾水管壓力脈動也升至最大。機組在振動區(qū)運行時間較長，這可能是發(fā)生疲勞裂紋的重要因素之一。圖5為該電站尾水管壓力脈動隨著單位流量變化曲線。

圖5 錐管上、下游壓力脈動曲線圖

從圖5可知：在空載或小負荷時，水輪機尾水管錐管上下游處壓力脈動呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；在極端最大水頭40%～54%負荷區(qū)域壓力脈動幅值最大值達到9.9%；額定水頭40%～45%負荷區(qū)域壓力脈動幅值最大值達到9%；在極端最小水頭40%～66%負荷區(qū)域壓力脈動幅值最大值為10.99%。由此可得，在空載或低負荷區(qū)域運行時，該電站水輪機的穩(wěn)定性狀況最為惡劣，應盡量避免在小負荷運行。

1.3 焊接工藝分析

當葉片出現(xiàn)裂紋后，現(xiàn)場采取了相應的修補措施，雖然使機組相繼恢復了運行，但一年以后有的葉片的相同或相近部位又出現(xiàn)了裂紋。

從葉片裂紋圖1可以看出，在靠近上冠下環(huán)的地方，葉片經(jīng)裂紋修復打磨以后的表面光順度較差，有明顯的棱存在，沒有很好的光順過渡，同時圖片中顯示葉片的表面粗糙度也不太理想，按照目前廠家設計要求，葉片進出口區(qū)域表面粗糙度應為Ra≤1.6 μm。葉片出水邊的光順度和粗糙度也可能是引起轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的原因之一，要避免因補焊或打磨不合格而再次產(chǎn)生裂紋。

2 裂紋處理

對以上水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的狀況及形成原因的進行分析，提出具體的解決方案。

1)施加補強三角塊。根據(jù)轉(zhuǎn)輪具體尺寸和現(xiàn)有空間，在葉片出水邊和上冠、下環(huán)相交處增加三角塊。

根據(jù)相關實踐經(jīng)驗，在葉片出水邊與上冠、下環(huán)相交處施加降應力三角塊，無論是對轉(zhuǎn)輪的綜合性能還是對轉(zhuǎn)輪的動態(tài)特性，基本沒有影響。目前已實施的水電站包括景洪、龍頭石、巖灘擴機等，效果良好。

2)提高修復質(zhì)量。葉片裂紋在修復補焊過程中，應加強修復工藝，保證焊接質(zhì)量。例如：選取止裂性能好的焊條；在焊接的過程中嚴格控制溫度和及時消除焊接殘余應力；焊接完成后進一步消除殘余應力，并且進行探傷檢查，避免同一部位再次產(chǎn)生裂紋；對于過流部件，焊接缺陷修復后應進行過流表面檢查，對于不圓順的部位采用表面堆焊、打磨的方式進行處理，不允許存在應力集中點，葉片過流表面不允許出現(xiàn)深度0.5 mm以上的凹坑、凸臺等，控制葉片表面的粗糙度和波浪度，提高葉片翼型的表面質(zhì)量。

3 結(jié) 語

中低水頭混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片開裂是普遍存在的問題，應充分重視，一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪裂紋應盡早對裂紋產(chǎn)生的原因進行正確的診斷并積極采取一些有針對性的預防措施，有利于防止裂紋的惡化和新裂紋的出現(xiàn)；在強化裂紋處理工藝與葉片設計改造的同時，通過機組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)及機組振動在線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，進一步細化機組的振動區(qū)域，減少機組在振動區(qū)間運行時間。