混流式水輪機轉輪裂紋原因及預防措施的探討

【摘 要】混流式水輪機轉輪葉片裂紋故障嚴重影響了水電站的安全穩定運行和經濟效益的發揮。本文就混流式水輪機轉輪裂紋原因及預防措施進行了探討，結合了具體的工程實例，對機組運行情況和轉輪裂紋現象作了詳細的闡述，分析了產生的原因，并提出了相應有效的措施，以期能為預防混流式水輪機轉輪措施裂紋而提供參考。

【關鍵詞】混流式水輪機；轉輪裂紋；原因；預防措施

所謂的混流式水輪機，又稱法蘭西斯水輪機，水流從四周徑向流入轉輪，然后近似軸向流出轉輪，轉輪由上冠，下環和葉片組成。其結構緊湊，效率較高，能適應很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機型式之一。但是，混流式水輪機轉輪葉片若出現裂紋故障，將會嚴重影響水電站的安全穩定運行和經濟效益的發揮，所以必須及時采取措施針對裂紋故障現象進行治理，以確保水電站的安全穩定運行。

1 概述

某水電站第一臺機組投運后的停機維護中就發現水輪機轉輪葉片出現裂紋，在后續機組維護中同樣發現了葉片裂紋。某水電站首臺機組投運至今已近15年，但是水輪機轉輪裂紋頻現的狀況并未徹底消除，每年輪修中幾乎都會發現裂紋，裂紋處理已成為每年機組檢修中的主要工作。

1.1 機組運行情況

目前已建成水電站中調節性能較好的特大型骨干電源，不僅每年向系統提供巨大的清潔電力能源，并在系統中承擔調峰、調頻、調壓和事故備用等任務，在我省電網中發揮著重要的作用。

1.2 水輪機基本參數及結構特點

水輪機額定功率為582MW，最大功率為612MW，公稱直徑6257mm，額定轉速142.9r/min，額定水頭165m。

轉輪為全不銹鋼分瓣鑄焊結構，#1葉片和相對的#7葉片對稱分剖，共13個葉片轉輪上冠、葉片、下環的材質均為ASTMA743MGradeCA-6NM馬氏體不銹鋼。

轉輪上冠把合方式為卡栓式結構。與以往的螺栓把合結構相比，這種結構可以減薄上冠的壁厚，從而節省昂貴的不銹鋼材料。

葉片采用數控機床加工，葉片最大厚度為188mm。轉輪下環為分瓣鑄造，整體加工，分瓣面在廠內開坡口，工地焊接。轉輪在廠內粗平衡，工地精平衡時允許不平衡力矩為455N·m。為減小上冠水推力，在頂蓋上設置了減壓板，減壓板的設計經模型試驗驗證，排除了機組飛逸時轉輪上浮現象，滿足用戶對轉輪水推力的要求。

泄水錐采用薄鋼板焊接，除法蘭板外，其余鋼板厚度僅為20mm，且導流鋼板不與轉輪上冠出水口焊接，間隙為33mm，作為上冠泄漏水通道之用。

2 轉輪裂紋現象

根據對某水電站水輪機轉輪葉片出現裂紋的位置、出現頻次的統計，轉輪裂紋主要表現為以下現象：（1）產生裂紋的位置超過90%位于葉片的出水邊，尤以出水邊與下環連接處最多，其次為上冠連接處；（2）同一部位裂紋重復出現的比例較高；（3）轉輪分瓣面焊縫附近出現裂紋的幾率最大且裂紋較長；（4）裂紋出現的位置基本固定在葉片出水邊與上冠、下環的連接焊縫處以及焊縫熱影響區內。

3 轉輪裂紋產生的原因分析

從1998年8月第一臺機組投運以后，某水電站6臺水輪機轉輪葉片相繼出現了不同程度的裂紋，截止到2013年4月，6臺水輪機轉輪共發現80余條裂紋，大部分出現在葉片出水邊與上冠連接處、葉片出水邊與下環連接處、轉輪分瓣面焊縫附近等位置。經分析得知，轉輪產生裂紋的主要原因如下。

3.1 轉輪變形影響

轉輪葉片的出水邊是強度最薄弱的位置，分瓣轉輪在分瓣面處剛度不連續，在葉片出水邊產生附加應力，從而形成薄弱環節，同時，葉片出水邊為水流脫流部位，該處相對空蝕嚴重，在歷次檢修檢查中發現該處的空蝕深度近5mm，空蝕的破壞作用加劇了強度薄弱情況，也惡化了該處的受力環境。

3.2 應力破壞

某水電站水輪機轉輪采用分瓣現場組焊結構，由于條件所限，不能進行整體回火熱處理而采用局部高溫回火，其僅能消除部分應力，殘余應力較大。另外，轉輪在水壓力及離心力的作用下，大應力區主要分布在轉輪葉片周邊上，一般認為，轉輪葉片存在四個高應力區，它們的位置在葉片進水邊正面（壓力分布面）靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處以及葉片與下環連接區內，某水電站轉輪葉片裂紋幾乎都出現在這幾個區域內。由此可見，應力破壞是導致裂紋產生的一個重要因素。

3.3 鑄造及焊接缺陷

大型水輪機轉輪葉片均采用整體鑄造，從而不可避免地存在鑄造氣孔、鑄造砂眼等內部缺陷。轉輪在制造過程中，采用葉片與上冠和下環焊接聯結結構，焊接過程中夾渣、氣孔等缺陷造成局部應力集中；另外，在轉輪散件組焊過程中，由于各種原因焊縫中也會存在氣孔、夾渣等缺陷，這些缺陷在外部應力的作用下可能會成為裂紋源，如果在焊接過程中消氫處理不徹底，也會導致氫致延遲裂紋的發生。

3.4 水力振動導致的疲勞破壞

某水電站在電網中擔任調峰調頻任務，負荷變化大，水輪機在振動區附近運行時間較長，水輪機葉片承受的交變應力大，在各種穩定與非穩定水流的激振作用下，如卡門渦、尾水管渦帶振動、轉輪進口壓力的波動等因素產生的干擾激振力使水輪機葉片產生振動。當激振頻率與葉片的固有頻率接近時將會產生共振，共振的發生極易導致結構件的破壞。由此產生的動應力是葉片產生裂紋的另一個重要因素。

3.5 焊接處理的影響

處理轉輪葉片裂紋的傳統工藝是對缺陷部位進行徹底地清理、打磨，然后補焊。焊接過程中需進行焊前預熱、焊中保溫、焊后消氫等控制措施，但是不斷地加熱、焊接、打磨也造成了轉輪內應力的增加，一定程度上導致了裂紋的重復發生。

3.6 負荷頻繁調整的影響

AGC控制實質上是根據系統負荷“差值”進行調節，而系統負荷總在不斷地變化，新的負荷給定值總在不斷地下發，AGC的調節將不斷進行，因此，發電廠在投入AGC后，機組運行時“調節過程”所占的時間將遠大于“非調節”的時間，大部分機組的運行工況由原固有的靜態運行轉換為動態運行，動態調節成為發電機組的常有工況，這對于某水電廠AGC投運前根據頻率和斷面潮流進行人為手動調整的運行方式是一個巨大的轉變。

3.7 頻繁跨振動區的影響

在AGC投運前，運行人員主要根據電網頻率和電網斷面潮流進行有功調整，可人為地對每臺機組的有功負荷進行單獨調整，亦可對負荷變化趨勢進行預判，具有一定的靈活性，能最大限度地避免機組頻繁地跨越振動區。在AGC投運后，系統無法對負荷變化趨勢進行預判，機組是否跨越振動區運行完全由負荷情況決定，當AGC有功設定值與實際值超差大于跨振動區有功死區且機組不跨越振動區無法調整時，就會有機組跨越振動區運行。

3.8 超出力運行的影響

機組超額定出力長時間運行，增大了轉輪等部件的機械受力，也易導致葉片疲勞損壞。

4 轉輪裂紋的處理及預防措施

4.1 處理方法

自投運以來，6臺機組轉輪均出現了數量不等的葉片裂紋情況。因此，根據多年檢修管理經驗，充分利用每年機組年度檢修的機會對轉輪葉片出水邊與上冠、下環連接處進行表面滲透探傷，對轉輪葉片其它部位進行肉眼檢查，及時發現存在的裂紋并及時處理，避免了其進一步擴展。針對轉輪裂紋現象，專門制定了適合某水電站水輪機轉輪裂紋的處理工藝，取得了良好效果。

4.2 預防措施

對分瓣轉輪來說，產生裂紋不足為奇，也可能是難以避免的。裂紋發生的過程也是轉輪內應力釋放的過程。只要排除結構設計和水力設計本身的原因，其它均可以通過后期處理得以解決。隨著時間的推移，內應力逐步得以釋放，葉片的裂紋情況也會越來越少，直至完全消失。運行中采用的主要預防措施如下。

（1）堅持避振運行。水輪機由于其自身的能量特性、汽蝕特性和強度條件的限制，有一定的運行限制范圍，因此，應在水輪機全水頭性能試驗的基礎上合理的確定出其運行限制區（即振動較大的區域），盡量避開該區域運行，以減少水力振動對轉輪的破壞。這是避免轉輪裂紋的最重要措施，已經為多個電站的運行實踐所驗證。在穩定運行負荷區，機組各部振動基本穩定在一個較小的值，機組運行平穩（例如水導擺度穩定在60～70μm）；在許可運行負荷區，機組各部振動相對較大且時有跳變，水輪機尾水管有渦帶產生，尾水管處有較大的噪音；而在禁止運行負荷區（即振動區），機組的振動達到了有害的地步，機組運行穩定性明顯變差，整臺機組呈現陣歇性的振動，振動值維持在一個相當高的值且伴隨有很大的噪音。對此，我們制訂了嚴格的運行守則，確保了機組最大限度地避開振動區運行。某水電站6臺機組轉輪最近幾年裂紋發生次數逐漸減少，主要是堅持避振運行措施取得的成果。

（2）加強檢查。目前，對于運行中水輪機轉輪裂紋產生、發展的監測還沒有有效手段，因此，每年的定期檢查是唯一有效的方法，檢查中應對轉輪葉片的四個高應力區進行全面的無損探傷檢查，發現裂紋，及時進行徹底地處理，防止其擴展惡化。

（3）嚴格執行處理工藝。在處理裂紋時，要按工藝要求嚴格執行。對嚴重的裂紋應制定專項的處理工藝；對重復出現裂紋的葉片加大根部圓角半徑；在處理轉輪葉片與下環連接處的裂紋時，應將葉片出水邊與下環相接處的平滑過渡的倒角根部厚度加大，倒角直徑增大，改善其受力狀況。對預熱溫度、焊接電流、焊接速度、層間溫度要嚴格控制，每層的錘擊要徹底，焊后消氫保溫時間要夠，控制好每個環節，確保裂紋處理的質量。

5 結語

綜上所述，混流式水輪機轉輪運行的可靠性比水力性能更重要，并且若混流式水輪機轉輪葉片出現裂紋故障，將會嚴重影響水電站的安全穩定運行和經濟效益的發揮。因此，為了防止因水輪機轉輪的問題而給水電站的安全、穩定、經濟運行帶來嚴重威脅，就需要認真分析裂紋產生的原因，采取有效的措施進行預防控制，以降低水輪機轉輪葉片裂紋的發生，從而提高水輪機的安全穩定性，保證機組的安全經濟運行。

【參考文獻】

[1]樊世英.混流式水輪機轉輪裂紋原因分析及預防措施[J].水力發電，2002（05）.

[2]陶喜群.防止混流式水輪機轉輪葉片產生裂紋的措施[J].東方電機，2005（01）.

[責任編輯：劉帥]