淺析混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因與處理方法

張秉章

摘要：混流式水輪機普遍用于國內(nèi)中高水頭水電站，公伯峽水電站機組運行十年后4#、5#機組相繼出現(xiàn)規(guī)律裂紋，經(jīng)過處理后逐年有持續(xù)增加跡象。文章對裂紋產(chǎn)生的原因及處理方法進行了分析。

Abstract： Francis turbines are commonly used in domestic medium and high head hydropower stations. After 10 years of operation， the 4# and 5# units of Gongboxia Hydropower Station have regular cracks. After treatment， there are signs of continuous increase year by year. The article analyzes the causes and treatment methods of cracks.

關(guān)鍵詞：葉片;裂紋;轉(zhuǎn)輪;應(yīng)力

Key words： blade;crack;runner;stress

中圖分類號：TK733.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）25-0142-02

0 ?引言

公伯峽水電站共安裝5臺立軸混流式水輪機，型號為HLA801—LJ—580，轉(zhuǎn)輪為整體鑄造，鑄焊結(jié)構(gòu);材料為全馬氏體不銹鋼，葉片采用真空精煉、數(shù)控加工，下環(huán)用鋼板卷焊。首臺水輪發(fā)電機組于2004年投運，投運至今已有16年時間，設(shè)備總體運行情況良好。

1 ?公伯峽水電站機組參數(shù)

1.1 水輪機基本參數(shù)

型號：HLA801-LJ-580;最大水頭：106.6m;設(shè)計水頭：99.3m;最小水頭：96.7m;額定流量：338.71m3/s;額定轉(zhuǎn)速：125r/min;額定功率：306MW。

1.2 發(fā)電機基本參數(shù)

型號：SF300.6-48/13200;額定容量：334000kVA;額定電壓：18000V;額定電流：10713A;功率因數(shù)：0.90;飛逸轉(zhuǎn)速：230r/min。

2 ?公伯峽水輪機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋檢查結(jié)果

2019年12月03日，4號機組C級檢修時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有5個葉片的出水邊上部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，共計6條，其中轉(zhuǎn)輪葉片有4條為貫穿性裂紋，有2條為淺表性裂紋;尤其是轉(zhuǎn)輪11#葉片裂紋較嚴重，貫穿性裂紋長度達到430mm，見現(xiàn)場圖片1。

2020年2月27日，5號機組C級檢修，對轉(zhuǎn)輪葉片探傷時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有5個葉片的出水邊上部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋;尤其是轉(zhuǎn)輪2#、10#葉片裂紋在2018年4月份進行的C級檢修中也出現(xiàn)在相同部位的區(qū)域，其中2#葉片貫穿性裂紋長度達到110mm，并出現(xiàn)氣孔，詳見現(xiàn)場照片圖2。

3 ?裂紋產(chǎn)生原因分析

①機組運行工況原因：5#機轉(zhuǎn)輪裂紋位置及走向基本一致屬于規(guī)律性裂紋，原因是葉片所承受的動應(yīng)力及其應(yīng)力產(chǎn)生循環(huán)次數(shù)超過了材料的水下疲勞極限導致產(chǎn)生疲勞性裂紋。

圖3是2018、2019年中8個月份，5#機組承擔的出力分布情況。從圖中可以看出，5#機組有很大一部分時間運行在50MW以下，即轉(zhuǎn)輪長期在0-40%Pr（Pr為額定出力）工況運行。水電機組運行工況不良導致轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的主要原因之一，水頭變化和不同負荷下，葉片承受的動載荷不同，在極小負荷區(qū)及強渦帶區(qū)時，葉片承受的動應(yīng)力較大，水輪機在這種工況下運行后和機組不穩(wěn)定運行的其它因素疊加，加速裂紋的形成和發(fā)展。

②根據(jù)公伯峽5F機組穩(wěn)定性試驗報告分析：

1）在 40-120MW區(qū)間運行時，上機架和頂蓋的水平振動、水導擺度、頂蓋壓力脈動都有明顯的增大趨勢。

2）在40-80MW區(qū)間運行時，頂蓋、下機架、上機架的垂直振動隨負荷變化，其頻率與壓力脈動的中頻成分頻率一致，可以判斷各部件的中頻成分振動是由壓力脈動造成的。

3）在0-120MW區(qū)間運行時，產(chǎn)生的低頻振動隨負荷的增大逐漸增大，部分量值超標，在60-80MW處達到最大值;超過120MW后開始減小，超過200MW以上趨于穩(wěn)定。

綜上所述，可初步判斷，機組長期在低負荷運行是造成葉片裂紋的一個主要因素。

③裂紋修復(fù)原因：根據(jù)電站現(xiàn)場機組情況及葉片修復(fù)情況，修復(fù)工藝不好也是造成轉(zhuǎn)輪裂紋相繼產(chǎn)生的一個間接原因。5#機轉(zhuǎn)輪在2018.04.13檢查中有1#、2#及10#葉片，共計3個葉片有上冠部位淺表性裂紋，經(jīng)過碳弧氣刨刨開、清根、補焊、修磨過程;在2020.04.13檢查中有 2#、5#、10#、11#、13#葉片，共計5枚葉片有上冠部位淺表性裂紋，處理過的2#、10#葉片裂紋重復(fù)出現(xiàn)，有可能在檢修工藝、工序中沒有達到工藝標準造成。

4 ?裂紋缺陷處理方法

4.1 缺陷檢測

對轉(zhuǎn)輪焊縫及鄰近區(qū)域進行100%的UT、PT探傷檢查，對缺陷的性質(zhì)進行確認和記錄，該記錄作為返修的依據(jù)。

4.1.1 缺陷清除方式

①淺表缺陷的清除。對于淺表層（10mm以內(nèi)）的裂紋原則上應(yīng)采取機械磨具磨削方式清除。

②深度缺陷的清除。

1）對于較長的未貫透或貫透的裂紋，應(yīng)采取“先斷頭，再分段清除”的方式。先在裂紋端部分別使用電鉆或旋轉(zhuǎn)銼等機械磨削方式打止裂孔，孔徑不小于6mm，孔深應(yīng)比裂紋深度大4-6mm，給出清除的預(yù)設(shè)余量，防止裂紋清除過程中繼續(xù)擴展。

2）使用碳弧氣刨從裂紋的端部向中間清除，裂紋清除之前，裂紋及相鄰100mm范圍內(nèi)的母材應(yīng)預(yù)熱至不低于50℃，并在裂紋清除過程中始終保持這一溫度。

3）缺陷清除過程中，隨形制備出便于焊接的坡口，坡口角度可為40-45°，坡口深度視實際情況而定，并打磨露出金屬光澤。

4.1.2 通過可視（VT）檢查初步確認缺陷清除干凈后，采用PT探傷檢查二次確認缺陷完全清除。

4.2 焊接修復(fù)

①焊接前，清凈焊接坡口及周圍20mm范圍內(nèi)的油污、銹蝕、探傷殘留液等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)。

②焊前預(yù)熱：對補焊部位及100mm范圍內(nèi)的母材應(yīng)預(yù)熱至100-80℃之間為宜，并在焊接過程中始終保持這一溫度。預(yù)熱方式根據(jù)現(xiàn)場的實際情況可采用電加熱方式或火焰均勻加熱方法進行?；鹧婕訜徇^程中應(yīng)緩慢均勻，避免局部溫度過高。

③焊接方法選擇。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備條件、缺陷的大小，選擇合適的焊接方法和焊接參數(shù)。對于返修量較小的點狀缺陷或少量磕碰傷，可采用鎢極氬弧焊進行焊接返修;對于返修量較大的線性缺陷或較大面積長焊縫，采用手工電弧焊或熔化極氣體保護焊進行焊接返修。

若選擇手工電弧焊，則要求焊條使用前，需按照焊條使用說明進行烘干，烘干后放置100-150℃保溫箱內(nèi)保存，隨用隨取。焊條領(lǐng)取時，必須使用焊條保溫桶領(lǐng)取。

④在焊接時盡量采用較小的焊接規(guī)范進行多層多道焊接，降低焊接殘余應(yīng)力的目的，焊接過程中控制層間溫度？燮150℃。

⑤起弧和收弧處應(yīng)使用砂輪機打磨。施焊下一道焊縫之前，應(yīng)清除焊道表面的所有熔渣，對諸如裂紋、未熔合、焊瘤、焊道成型不良以及其它將對焊接質(zhì)量產(chǎn)生不良影響的可見缺陷進行清除。

⑥焊接返修過程中除蓋面層外需進行逐層錘擊，至焊縫表面均勻屈服，方可進行下層焊縫的施焊。

焊后打磨及無損探傷：

1）對焊接返修區(qū)域進行粗磨，粗磨后對焊接位置進行PT探傷檢查，對于返修深度大于10mm的裂紋類缺陷，粗磨后需進行UT探傷檢查。2）無損探傷檢查合格后，進行半精磨、精磨，使返修部位與相鄰區(qū)域平滑、光滑過渡，去除返修部位所有凹坑和尖角。3）精磨后對焊縫進行PT探傷檢查，探傷過程中發(fā)現(xiàn)缺陷，可采用鎢極氬弧焊按焊接工藝規(guī)范要求進行返修。4）對葉片修復(fù)部位進行拋光處理，表面粗糙度不低于Ra3.2。

5 ?結(jié)束語

水輪機轉(zhuǎn)輪是水電站勢能轉(zhuǎn)換成動能的核心部件，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造、安裝、運行、維修質(zhì)量決定水輪機整體性能，為了保證水輪機組的運行質(zhì)量，探討解決轉(zhuǎn)輪葉片裂紋可實現(xiàn)水電站安全穩(wěn)定運行，提高安全生產(chǎn)效率，達到安全經(jīng)濟運行。

參考文獻：

[1]GB-T5864-2003，水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范[S].

[2]Q/GBX 10001-2019，水輪機發(fā)電機技術(shù)規(guī)程[S].青海黃河水電公司公伯峽發(fā)電分公司.

[3]Q/GBX 10002-2019，水輪機技術(shù)規(guī)程[S].青海黃河水電公司公伯峽發(fā)電分公司.

[4]GB 8564-88，水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范[S].