水力發(fā)電廠水輪機(jī)固定導(dǎo)葉裂紋研究

孫晉明，孫成剛，吳章勤，艾川，王明智，李濤，王立凱

（1.云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217；2.云南華電魯?shù)乩娪邢薰荆颇?大理 671611）

0 前言

固定導(dǎo)葉作為水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中最重要的鑄鍛件之一，一直都是大型水輪機(jī)組制造和運(yùn)維面臨的重點(diǎn)，在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中起到導(dǎo)流作用，產(chǎn)生環(huán)量進(jìn)而形成連續(xù)流道，使水流在連續(xù)的流道內(nèi)流動(dòng)，不至形成死角和突然擴(kuò)散從而影響水輪機(jī)效率。對水輪機(jī)導(dǎo)葉內(nèi)部因鑄造生產(chǎn)的鑄造缺陷，焊接時(shí)于焊縫及熱影響區(qū)域易于產(chǎn)生焊接缺陷而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。在運(yùn)行狀態(tài)下，固定導(dǎo)葉受到來自水流的沖擊、腐蝕，以及所含砂石的沖刷、導(dǎo)致其表面防腐層受損，更嚴(yán)重的是固定導(dǎo)葉焊縫及熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展，從而使得固定導(dǎo)葉安全性能大大下降，嚴(yán)重影響水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 水力發(fā)電廠固定導(dǎo)葉及焊縫裂紋

結(jié)合水力發(fā)電廠機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，按照《水電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，對金屬技術(shù)監(jiān)督/服務(wù)工作范圍內(nèi)的水力發(fā)電廠的42 臺機(jī)組，共1008 個(gè)固定導(dǎo)葉進(jìn)行檢查，其中固定導(dǎo)葉焊縫出現(xiàn)裂紋103 條，3 個(gè)固定導(dǎo)葉表面出現(xiàn)裂紋，檢查發(fā)現(xiàn)固定導(dǎo)葉缺陷絕大部分存在于固定導(dǎo)葉及焊縫、母材熱影響區(qū)的表面及近表面。

某水電廠機(jī)組固定導(dǎo)葉在檢修期間，發(fā)現(xiàn)其中9 個(gè)固定導(dǎo)葉及焊縫及其焊縫存在17 處缺陷，其中具有代表性的#13 固定導(dǎo)葉及焊縫進(jìn)水端正壓側(cè)上焊縫存在長為120 mm 的裂紋，裂紋位于焊縫熱影響區(qū)，沿焊縫方向延伸，正壓側(cè)區(qū)域?yàn)槠街睜睿M(jìn)水端區(qū)域?yàn)椴灰?guī)則狀，裂紋寬而深，端頭尖銳；進(jìn)水端正壓側(cè)下焊縫存在長為210 mm 的裂紋，裂紋位于焊縫熱影響區(qū)，沿焊縫方向延伸，呈平直狀，中段平滑端頭尖銳，裂紋較淺。固定導(dǎo)葉及焊縫出水端輻射狀裂紋，裂紋貫穿母材、熱影響區(qū)和焊縫，裂紋寬而深，裂紋表面銹蝕嚴(yán)重；正壓側(cè)存在2條裂紋，位于母材表面，裂紋寬而深，表面銹蝕嚴(yán)重。

2 固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)及作用

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉是水輪機(jī)導(dǎo)水部件的重要組成部分，作為重要的引水部件，對固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)需要考慮固定導(dǎo)葉整體結(jié)構(gòu)對水流及機(jī)組效率的影響，也要顧及運(yùn)行狀態(tài)下水流降低單個(gè)固定導(dǎo)葉的安全性能，故而在結(jié)構(gòu)、角度、數(shù)量等方面都有嚴(yán)格要求，在滿足上述條件的基礎(chǔ)上盡量減少過流損失，提高其抗氣蝕性能。水輪機(jī)的固定導(dǎo)葉連同其兩端的環(huán)形結(jié)構(gòu)(分別稱為上環(huán)和下環(huán))一起稱為座環(huán)，起到支撐機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分和發(fā)電機(jī)重量，并將載荷傳遞到基礎(chǔ)上去，座環(huán)的結(jié)構(gòu)主要分兩種：一種是蝶形邊座環(huán)，一種是平行邊座環(huán)。近年來可逆式機(jī)組所用座環(huán)類型大多為平行邊座環(huán)，不僅有利于與固定導(dǎo)葉的焊接，而且可以減少用和不用橢圓截面，減少了加工難度[1-2]。為減小水輪機(jī)組固定導(dǎo)葉的出水邊與上下環(huán)板連接處的應(yīng)力集中，固定導(dǎo)葉出水邊盡量要厚，而且不要有尖角，盡量保證圓滑[3]。

圖1 固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉又被稱作雙列葉柵，在設(shè)計(jì)上它們必須滿足水泵水輪機(jī)雙運(yùn)行方向上都具有良好的進(jìn)水和出水條件。選擇固定導(dǎo)葉時(shí)應(yīng)考慮：一，按強(qiáng)度要求選取最小的葉片厚度；二，導(dǎo)葉長度盡量小，通常取1.1左右；三，對于給定的葉型，可以在一定范圍內(nèi)改變其旋轉(zhuǎn)軸位置來調(diào)整導(dǎo)葉的開關(guān)趨勢和水力矩大小[1]。

圖2 固定導(dǎo)葉及焊縫位置示意圖

混流式水輪機(jī)在最優(yōu)工況（轉(zhuǎn)速n=64 轉(zhuǎn)/分，流量Q=220 升/ 秒）時(shí)，引水部件的水力損失占水輪機(jī)總水力損失的54%，轉(zhuǎn)輪損失占25%，尾水管水力損失占21%[4-5]。因此，混流式水輪機(jī)最優(yōu)工況時(shí)引水部件內(nèi)的水里損失占較大比重，約占水輪機(jī)總水力損失的一半。說明混流式水輪機(jī)的引水部件在總的能量平衡中起到重要的作用。水輪機(jī)導(dǎo)水部件性能的好壞直接影響整個(gè)機(jī)組和電站的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

3 固定導(dǎo)葉及焊縫裂紋產(chǎn)生原因

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉及葉連同其兩端的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其裂紋形成有綜合原因一般有以下幾種情況[6-7]。

1）在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，固定導(dǎo)葉始終受到內(nèi)應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力作用[8]，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋。對出現(xiàn)裂紋的固定導(dǎo)葉進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，發(fā)現(xiàn)裂紋絕大部分都出現(xiàn)在角焊縫或者是角焊縫與管座之間過渡段位置。固定導(dǎo)葉及焊縫在焊接時(shí)存在一定的內(nèi)應(yīng)力，機(jī)組運(yùn)行過程中，還要存在承受波動(dòng)沖擊造成的共振作用；由于固定導(dǎo)葉是與環(huán)板固定，角焊縫受到的力就相當(dāng)于固定導(dǎo)葉的固定端位置所受的力，所受彎曲應(yīng)力最大點(diǎn)在進(jìn)水和出水端，形成一種峰值應(yīng)力。機(jī)組長期運(yùn)行，在角焊縫及附近母材部位形成應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力水平達(dá)到一定值時(shí)，就在應(yīng)力集中區(qū)域，同時(shí)又是材料強(qiáng)度薄弱區(qū)域出現(xiàn)裂紋。

2）固定導(dǎo)葉及焊縫區(qū)域存在強(qiáng)度薄弱區(qū)域。角焊縫到管接頭過渡區(qū)域的金相組織比其他部位差，在焊縫及其熱影響區(qū)，過渡區(qū)域的材料強(qiáng)度等機(jī)械性能要比其他部位的機(jī)械性能差。當(dāng)材料一定的工作溫度下長期受到低周應(yīng)力作用，且彎曲應(yīng)力達(dá)到其值時(shí)，在角焊縫到管接頭過渡區(qū)應(yīng)力集中部位，產(chǎn)生疲勞裂紋源，并逐漸擴(kuò)展呈一條線性裂紋[9]。

3）水輪機(jī)啟動(dòng)、停運(yùn)時(shí)水流啟停所導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展加速。水輪機(jī)在啟動(dòng)和停運(yùn)狀態(tài)下因水輪沖擊而造成的應(yīng)力很大，使裂紋源發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而形成裂紋。

4）固定導(dǎo)葉及焊縫產(chǎn)生裂紋的另一個(gè)原因，是在該部位發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。當(dāng)承受拉伸應(yīng)力的作用時(shí)，一般來說，只需很小的拉伸應(yīng)力即可引起應(yīng)力腐蝕。固定導(dǎo)葉及焊縫局部承受著重量不平衡產(chǎn)生的應(yīng)力，在角焊縫形成局部的拉伸應(yīng)力，并且形成局部應(yīng)力集中；同時(shí)與材料種類相匹配的特定腐蝕介質(zhì)環(huán)境，這是對無初始表面裂紋的元件而言的。當(dāng)元件有初始表面裂紋時(shí)，鋼材在一般介質(zhì)中都將發(fā)生應(yīng)力腐蝕。水是腐蝕性較強(qiáng)的介質(zhì)，在運(yùn)行狀態(tài)下水滲入固定導(dǎo)葉及焊縫處，使固定導(dǎo)葉及焊縫外壁產(chǎn)生嚴(yán)重氧化腐蝕現(xiàn)象，極易產(chǎn)生微觀裂紋等缺陷，在微觀裂紋處形成裂紋源，因此，固定導(dǎo)葉及焊縫在很低的應(yīng)力水平和腐蝕性很弱的介質(zhì)中，引起應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)裂紋。

5）固定導(dǎo)葉及焊縫存在鑄造缺陷和焊接缺陷，也是產(chǎn)生裂紋的重要因素。運(yùn)行中由于鑄造缺陷和焊接缺陷的發(fā)展，特別是面狀缺陷的尖角效應(yīng)，很容易發(fā)展為裂紋源[10]。

4 固定導(dǎo)葉及焊縫裂紋分析

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉及焊縫產(chǎn)生的裂紋的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1）固定導(dǎo)葉及焊縫在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，受到共振作用，往往導(dǎo)致金屬疲勞，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。

2）固定導(dǎo)葉及焊縫存在鑄造缺陷和焊接缺陷，這些不同類型的缺陷成為了裂紋源，易導(dǎo)致疲勞裂紋早期形成和使得部件的抗疲勞能力下降。

3）固定導(dǎo)葉及焊縫處于沖擊壓力、內(nèi)應(yīng)力，且存在振動(dòng)的環(huán)境，在長期的混合應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的共同作用下，更加容易產(chǎn)生疲勞裂紋和造成裂紋的擴(kuò)展。

4）固定導(dǎo)葉及焊縫外表面均具有氧化腐蝕和氣蝕現(xiàn)象，氧化腐蝕和氣蝕等表面微小缺陷是新的裂紋源，其在應(yīng)力作用易形成裂紋并擴(kuò)展。

5）固定導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)上的角焊縫的是應(yīng)力集中區(qū)，這也是產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展的因素。

5 固定導(dǎo)葉及焊縫裂紋預(yù)防建議

根據(jù)歷次水輪發(fā)電機(jī)檢修檢驗(yàn)情況，為預(yù)防固定導(dǎo)葉及焊縫產(chǎn)生裂紋，建議采取下列措施：

1）在制造安裝及修理改造過程中優(yōu)化焊接工藝，提高焊接質(zhì)量。特別是對固定導(dǎo)葉進(jìn)行修復(fù)和焊接時(shí)，現(xiàn)場的工作條件受到一定的限制，保證焊接質(zhì)量和減少因應(yīng)力集中是防止產(chǎn)生裂紋重要措施。

2）從設(shè)計(jì)上對固定導(dǎo)葉及焊縫進(jìn)行優(yōu)化改造，并保證固定導(dǎo)葉及焊縫的光潔度，特別是對裂紋修復(fù)后[11]；對固定導(dǎo)葉及焊縫進(jìn)行保護(hù)，防止產(chǎn)生氣蝕等表面缺陷而形成新的裂紋源；對機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理解決，以保證機(jī)組安全運(yùn)行。

3）重視水輪發(fā)電機(jī)組安全性能檢驗(yàn)，加強(qiáng)固定導(dǎo)葉及焊縫等金屬部件的監(jiān)造。在電站建設(shè)階段應(yīng)對固定導(dǎo)葉及焊縫等金屬部件制造、安裝、焊接時(shí)進(jìn)行重點(diǎn)檢測，提高其角焊縫可靠性，避免制造缺陷的存在。同時(shí)，對運(yùn)行中固定導(dǎo)葉及焊縫按相關(guān)檢驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行定期檢驗(yàn)，對已出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行監(jiān)控。

6 結(jié)束語

水輪機(jī)固定導(dǎo)葉的裂紋在水電站實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的裂紋是多種因素綜合作用的結(jié)果，嚴(yán)重地影響水輪機(jī)的正常工作，對機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行形成了安全隱患。機(jī)組檢修時(shí)需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際狀況對水固定導(dǎo)葉及焊縫的檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)裂紋時(shí)，應(yīng)及時(shí)對裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，采用合理、科學(xué)的手段進(jìn)行處理，以保證機(jī)組安全運(yùn)行[12]。