大變幅高水頭機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋處理

楊秀江，宋汝會(huì)

(光照發(fā)電廠，貴州 盤州 561405)

0 引言

光照水電站位于貴州省晴隆縣與關(guān)嶺縣交界，是北盤江干流茅口以下梯級(jí)水電開發(fā)“一庫五級(jí)”的龍頭水電站，是貴州省境內(nèi)為數(shù)不多的具有不完全多年調(diào)節(jié)性能的大型水電站。電站4臺(tái)單機(jī)容量260 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 040 MW，設(shè)計(jì)年均發(fā)電量27.54億kWh。水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，型號(hào)為HLA855a-LJ-505，設(shè)計(jì)水頭135m，實(shí)際運(yùn)行最大水頭159m，最小水頭112m，水頭變幅近50m。

自2008年投產(chǎn)發(fā)電以來，電廠按照機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行26次不同級(jí)別檢修，在檢修中對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)4臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片均出現(xiàn)不同程度貫穿性裂紋，發(fā)生位置集中在上冠與下環(huán)葉片出水邊處。具體裂紋統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 光照水電站轉(zhuǎn)輪裂紋情況統(tǒng)計(jì)

1 研究的目的與意義

近年來，大量大型水輪發(fā)電機(jī)組不斷地投入運(yùn)行，隨著機(jī)組尺寸的增加以及轉(zhuǎn)速不斷提高，水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及機(jī)組關(guān)鍵部件的裂紋、斷裂問題成為了國內(nèi)外水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的兩大問題。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋問題相對(duì)復(fù)雜，涉及多個(gè)學(xué)科，需要先進(jìn)的儀器進(jìn)行測試。國內(nèi)外許多水電站都曾經(jīng)出現(xiàn)過水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)輪裂紋問題，特別是水電機(jī)組在偏工況運(yùn)行時(shí)，受到水力振動(dòng)的影響，導(dǎo)致機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞甚至遭到破壞。因此，如何解決在運(yùn)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋問題顯得十分重要和急迫。

光照電站4臺(tái)機(jī)組投運(yùn)至今已有12年，4臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片均出現(xiàn)不同程度的貫穿性裂紋，平均每年檢修維護(hù)費(fèi)用增加超400萬元，給電站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了巨大隱患和損失。分析機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)大變幅高水頭的大型轉(zhuǎn)輪反復(fù)出現(xiàn)裂紋的機(jī)理進(jìn)行綜合分析，根據(jù)研究結(jié)果制定處理方案并在真機(jī)上進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證，以從根本上解決光照水電站轉(zhuǎn)輪裂紋反復(fù)發(fā)生的問題。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生機(jī)理

針對(duì)光照水電站轉(zhuǎn)輪大變幅高水頭的特點(diǎn)，先后從轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行工況、材質(zhì)、內(nèi)部流場、葉片靜動(dòng)應(yīng)力等方面，集成統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析、化學(xué)檢測、真機(jī)試驗(yàn)、CFD流場計(jì)算(computational fluid dynamics，CFD)、流固耦合計(jì)算等方法分析裂紋機(jī)理，找出了光照水電站轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生機(jī)理。

2.1 設(shè)計(jì)選型分析

對(duì)巴基斯坦塔貝拉電站、美國CHIEF JOSEPH電站、大古力電站、埃及阿斯旺電站、蘇聯(lián)的布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克電站等國外電站，廣東楓樹壩電廠、萬家寨水電廠及三峽電廠等國內(nèi)電站轉(zhuǎn)輪裂紋情況統(tǒng)計(jì)分析。

從理論上分析轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)上是否存在缺陷和不足。通過分析光照轉(zhuǎn)輪滿足機(jī)組出力要求，選型合理正確。

2.2 運(yùn)行工況分析

主要是開展機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)，找出機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、過渡運(yùn)行區(qū)和振動(dòng)區(qū)，然后對(duì)機(jī)組歷史運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)比機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、過渡運(yùn)行區(qū)和振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)間及占比情況。2011年5月—2015年3月，對(duì)4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了694m，702m，710m，718m，726m，734m，742m庫水位的振動(dòng)區(qū)試驗(yàn)。

通過分析40 %開度以下的運(yùn)行區(qū)域均屬于振動(dòng)運(yùn)行區(qū)域范圍，同時(shí)在4臺(tái)機(jī)組在低水頭、大負(fù)荷也存在振動(dòng)運(yùn)行區(qū)。3號(hào)機(jī)組振動(dòng)區(qū)域范圍較大，長期處于低負(fù)荷、振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行。

2.3 材質(zhì)分析

為分析光照水電站轉(zhuǎn)輪材料是否滿足要求，利用機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋常規(guī)補(bǔ)焊處理機(jī)會(huì)，對(duì)葉片靠近上冠出水邊裂紋處取樣，進(jìn)行化學(xué)成分、沖擊韌性和硬度進(jìn)行分析。對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)及焊接材料的材質(zhì)成份、強(qiáng)度、韌性等進(jìn)行了復(fù)核。通過復(fù)核材質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求，但存在局部偏析問題，同時(shí)局部有氣孔現(xiàn)象。

2.4 水輪機(jī)全流道CFD流場分析

(1) 為了分析各種水頭下光照水輪機(jī)在不同運(yùn)行工況下的內(nèi)部流態(tài)情況，根據(jù)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)和實(shí)際運(yùn)行工況，該項(xiàng)目中共選擇了3個(gè)水頭，共9個(gè)工況進(jìn)行內(nèi)部流場分析及計(jì)算。該次計(jì)算采用的是ANSYS軟件對(duì)水輪機(jī)全流道進(jìn)行CFD流場分析。

通過計(jì)算額定水頭額定功率(H=135m，P=260 MW)工況流域內(nèi)部流態(tài)較好，流動(dòng)沿幾何方向，無明顯旋渦、二次流等不良流態(tài)。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流動(dòng)較為平滑，流動(dòng)與葉片幾何貼合較好，無明顯不良流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力分布合理。低水頭最大功率(H=115m，P=205 MW)流態(tài)開始變差，流域內(nèi)部流態(tài)總體較好，旋渦、二次流等不良流態(tài)規(guī)模小，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流動(dòng)出現(xiàn)分離，尤其是轉(zhuǎn)輪進(jìn)口位置出現(xiàn)回流，流態(tài)較額定水頭更為紊亂。低水頭低功率(H=115m，P=115 MW)流態(tài)較差，流域內(nèi)部流態(tài)紊亂，尤其在導(dǎo)葉和尾水管內(nèi)部觀察到明顯的旋渦、二次流等不良流態(tài)。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的流動(dòng)較為紊亂，葉片進(jìn)口邊附近出現(xiàn)回流，工作面靠近上冠的區(qū)域存在明顯低壓，出現(xiàn)分離流動(dòng)，在葉片背面靠近出口邊位置存在明顯低壓區(qū)，此處流動(dòng)分離加劇，流動(dòng)狀況不良。轉(zhuǎn)輪出口位置流動(dòng)分離較大，流動(dòng)狀態(tài)較差。

(2) 針對(duì)上述的流動(dòng)分析得出，低水頭條件下水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)紊亂，不良流態(tài)較為復(fù)雜，因此，在低水頭條件下對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的壓力脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)算及分析。計(jì)算工況包含低水頭大功率(H=115m，P=205 MW)、低水頭低功率(H=115m，P=115 MW)、低水頭其他功率(H=115m，P=165 MW)。

通過計(jì)算在額定水頭低負(fù)荷和低水頭工況時(shí)，機(jī)組內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)差，存在機(jī)組內(nèi)部的靜動(dòng)翼干涉、尾水管渦帶等旋渦影響的壓力脈動(dòng)。

(3) 基于流固耦合的轉(zhuǎn)輪應(yīng)力特性分析。針對(duì)混流式水輪機(jī)采用“順序耦合法”的流固耦合數(shù)值計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力大小及分布進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核。在葉片靜強(qiáng)度分析中，建立流場和結(jié)構(gòu)場兩個(gè)物理場，流場計(jì)算結(jié)果中的水壓力通過流固交界面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu)場，作為結(jié)構(gòu)場分析計(jì)算的載荷條件；同時(shí)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果中的邊界位移也可以通過交界面?zhèn)鬟f給流場，從而引起流場域網(wǎng)格的變形，以進(jìn)行新的流場計(jì)算，如此交互迭代來模擬二者的相互作用，并最后收斂到平衡的解。

為了求解轉(zhuǎn)輪在水中的模態(tài)，需要對(duì)轉(zhuǎn)輪在水中的流固耦合振動(dòng)問題進(jìn)行求解。水中的葉片和轉(zhuǎn)輪的模態(tài)分析采用直接耦合的方法進(jìn)行有限元計(jì)算，利用非對(duì)稱廣義Lanczos法計(jì)算光照水電廠轉(zhuǎn)輪在水中及空氣中的動(dòng)態(tài)特性。共選擇了3個(gè)不同工況進(jìn)行水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力特性的對(duì)比分析及計(jì)算，計(jì)算包括靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力。靜態(tài)特性計(jì)算結(jié)果表明，靜應(yīng)力的大小未超過許用應(yīng)力，不是裂紋產(chǎn)生的主要原因，但轉(zhuǎn)輪葉片出口邊靠近上冠與下環(huán)處存在應(yīng)力集中點(diǎn)，可能是造成裂紋的因素之一，需要進(jìn)行改進(jìn)消除集中應(yīng)力，改善裂紋問題。

通過對(duì)光照水電廠轉(zhuǎn)輪和葉片的動(dòng)態(tài)特性計(jì)算，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪與葉片的固有頻率有效的避開了流體的激振頻率，轉(zhuǎn)輪葉片具有良好的動(dòng)態(tài)特性。目前存在的葉片裂紋的根源也不是水力激振和轉(zhuǎn)輪及葉片的共振引起。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋處理對(duì)策

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理，采用在葉片出水邊與轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)的連接處加三角塊的方式降低葉片的最大應(yīng)力，同時(shí)轉(zhuǎn)移最大應(yīng)力位置，通過仿真計(jì)算，制定適應(yīng)于光照水電站的“均應(yīng)非等厚三角塊”轉(zhuǎn)輪裂紋處理對(duì)策和方案，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行修型和加強(qiáng)處理，改善應(yīng)力分布，提升抗裂紋能力。

通過計(jì)算三個(gè)工況的最大應(yīng)力，分別從125.35 MPa降低為97.24 MPa，108.08 MPa降低為83.92 MPa，120.48 MPa降低為92.83 MPa。

4 轉(zhuǎn)輪裂紋處理及效果驗(yàn)證

2017年3—4月采用“均應(yīng)非等厚三角塊”對(duì)光照水電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片實(shí)施修型和加強(qiáng)處理，嚴(yán)格按照“PT檢測-劃線-等離子切割-切割面打磨-三角塊裝配-單側(cè)焊縫焊接-清根-清根側(cè)打磨PT-焊接清根側(cè)焊縫-焊縫打磨-焊縫UT探傷-修型拋光”的施工工藝流程，做好現(xiàn)場條件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制。

裂紋處理后，于2017年5月、2018年1月分別對(duì)機(jī)組開展了穩(wěn)定性試驗(yàn)、水輪機(jī)效率試驗(yàn)等真機(jī)試驗(yàn)和長時(shí)間的實(shí)際運(yùn)行，驗(yàn)證了光照水電廠轉(zhuǎn)輪裂紋處理的方式方法正確，改善了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況。

2017年5月完成大變幅高水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析和對(duì)策處理體系構(gòu)建，總結(jié)裂紋成因分析、實(shí)施方案制定及現(xiàn)場處理工藝流程等，于2017年5月建立了集運(yùn)行工況分析、機(jī)理分析、CFD流場計(jì)算、流固耦合數(shù)值仿真計(jì)算、材料分析、原型試驗(yàn)驗(yàn)證等五位一體的大變幅高水頭轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析和對(duì)策處理體系，創(chuàng)新性地提出了水電站轉(zhuǎn)輪裂紋問題的研究處理方法。

5 結(jié)束語

光照電站自采取均應(yīng)非等厚三角塊結(jié)構(gòu)處理措施以來，截至2020年4月份，在歷次機(jī)組檢修中，從未出現(xiàn)過以往的貫穿性裂紋現(xiàn)象，處理對(duì)策有了階段性成果，提高了設(shè)備的健康水平和安全可靠性能，為同類型大變幅高水頭水輪機(jī)組類似問題的處理提供了參考。