混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋防治要點(diǎn)

祝瑞起

摘 要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪如果有裂紋出現(xiàn)，會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)組整體的安全運(yùn)行。以某水電站對(duì)其水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行處理的工作實(shí)踐為基礎(chǔ)，分析了裂紋產(chǎn)生的原因，總結(jié)了防治裂紋的措施，為類似電站設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和管理提供參考。

關(guān)鍵詞：水電站；發(fā)電機(jī)組；混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪裂紋

中圖分類號(hào)：TK733+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）06-0020-02

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)能源的需求日益增長(zhǎng)，各地水電站正在不斷的建設(shè)中?；炝魇剿啺l(fā)電機(jī)組在運(yùn)行當(dāng)中，其水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，對(duì)水電站的安全運(yùn)行造成了影響。因此，解決水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的問(wèn)題成為了工作人員的重要工作。下面以某水電站對(duì)裂紋的治理為例進(jìn)行探討。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中易產(chǎn)生裂紋，這種現(xiàn)象在已投運(yùn)的國(guó)內(nèi)、外混流式水輪發(fā)電機(jī)組中普遍存在。因此，轉(zhuǎn)輪裂紋的頻繁出現(xiàn)，已經(jīng)嚴(yán)重影響到水電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全運(yùn)行，必須引起高度的重視。

某水電站自1998年第一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行后的停機(jī)維護(hù)中就發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋，在后續(xù)機(jī)組維護(hù)中同樣發(fā)現(xiàn)了葉片有裂紋。該水電站首臺(tái)機(jī)組投運(yùn)至今已近15年，但是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋頻現(xiàn)的情況并未得到徹底消除，每年輪修中幾乎都會(huì)發(fā)現(xiàn)有裂紋。裂紋處理已成為每年機(jī)組檢修中的主要工作。

1 轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象

根據(jù)對(duì)該水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋的位置、出現(xiàn)頻次的統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)輪裂紋主要表現(xiàn)為：①產(chǎn)生裂紋的位置超過(guò)90%位于葉片的出水邊，尤以出水邊與下環(huán)連接處最多，其次為上冠連接處。②同一部位裂紋重復(fù)出現(xiàn)的比例較高。③轉(zhuǎn)輪分瓣面焊縫附近出現(xiàn)裂紋的幾率最大且裂紋較長(zhǎng)。④裂紋出現(xiàn)的位置基本在葉片出水邊與上冠、下環(huán)的連接焊縫處和焊縫熱影響區(qū)內(nèi)。

近幾年對(duì)機(jī)組輪修檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)比較嚴(yán)重的裂紋，比如2010-03，#6機(jī)組#1葉片在分瓣面、葉片和上冠焊縫附近產(chǎn)生的迄今為止最長(zhǎng)的裂紋，長(zhǎng)度達(dá)到780 mm，其對(duì)應(yīng)的背水面裂紋長(zhǎng)度為430 mm，成一條與上冠焊縫平行的直線，猶如刀切并貫穿葉片。2010-12，#6水輪機(jī)#1轉(zhuǎn)輪葉片背水面存在一條裂紋，裂紋長(zhǎng)度為170 mm，深度為55 mm，寬度為65mm。最近發(fā)現(xiàn)的一條裂紋為#4水輪機(jī)#1葉片出水邊下角與下環(huán)連接處的穿透性裂紋，裂紋長(zhǎng)約170 mm。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因分析

從1998-08第一臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行以后，該水電站6臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片相繼出現(xiàn)了不同程度的裂紋，截止到2013-04，6臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪共發(fā)現(xiàn)80余條裂紋，裂紋大部分出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠連接處、葉片出水邊與下環(huán)連接處、轉(zhuǎn)輪分瓣面焊縫附近等位置。經(jīng)分析得知，轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的主要原因如下。

2.1 轉(zhuǎn)輪變形影響

轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊是強(qiáng)度最薄弱的位置，分瓣轉(zhuǎn)輪在分瓣面處剛度不連續(xù)，在葉片出水邊產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而形成薄弱部位。同時(shí)，葉片出水邊為水流脫流部位，該處相對(duì)空蝕嚴(yán)重，在歷次檢修中發(fā)現(xiàn)該處的空蝕深度近5 mm?？瘴g的破壞作用加劇了強(qiáng)度薄弱的情況，惡化了該處的受力環(huán)境。

2.2 應(yīng)力破壞

該水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用分瓣現(xiàn)場(chǎng)組焊結(jié)構(gòu)，由于條件所限，不能進(jìn)行整體回火熱處理而采用局部高溫回火，這樣僅能消除部分應(yīng)力，殘余應(yīng)力仍較大。另外，轉(zhuǎn)輪在水壓力和離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)輪葉片存在四個(gè)高應(yīng)力區(qū)，它們位于葉片進(jìn)水邊正面靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處和葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。

2.3 鑄造和焊接缺陷

水輪機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)部缺陷。轉(zhuǎn)輪在制造過(guò)程中，采用葉片與上冠和下環(huán)焊接連接結(jié)構(gòu)，焊接過(guò)程中夾渣、氣孔等缺陷造成局部應(yīng)力集中。另外，在轉(zhuǎn)輪散件組焊過(guò)程中，由于各種原因焊縫中也會(huì)存在氣孔、夾渣等缺陷，這些缺陷在外部應(yīng)力的作用下可能會(huì)成為裂紋源。如果在焊接過(guò)程中消氫處理不徹底，也會(huì)導(dǎo)致氫致延遲裂紋的發(fā)生。

2.4 水力振動(dòng)導(dǎo)致的疲勞破壞

該水電站在電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，負(fù)荷變化大，水輪機(jī)在振動(dòng)區(qū)附近運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，水輪機(jī)葉片承受的交變應(yīng)力大，在各種穩(wěn)定與非穩(wěn)定水流的激振作用下，比如卡門渦、尾水管渦帶振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪進(jìn)口壓力的波動(dòng)等因素產(chǎn)生的干擾激振力使水輪機(jī)葉片產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)激振頻率與葉片的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振，共振的發(fā)生極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的破壞。由此產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力是葉片產(chǎn)生裂紋的另一個(gè)重要因素。

2.5 焊接處理的影響

處理轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的傳統(tǒng)方式是對(duì)缺陷部位進(jìn)行徹底的清理、打磨，然后補(bǔ)焊。在焊接過(guò)程中，需采取焊前預(yù)熱、焊中保溫、焊后消氫等控制措施。但是不斷地加熱、焊接、打磨造成了轉(zhuǎn)輪內(nèi)應(yīng)力的增加，在一定程度上導(dǎo)致了裂紋的重復(fù)發(fā)生。

2.6 負(fù)荷頻繁調(diào)整的影響

AGC控制實(shí)質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷“差值”進(jìn)行調(diào)節(jié)，而系統(tǒng)負(fù)荷總在不斷地變化，新的負(fù)荷給定值總在不斷地下發(fā)，AGC的調(diào)節(jié)將不斷進(jìn)行。因此，發(fā)電廠在投入AGC后，機(jī)組運(yùn)行時(shí)“調(diào)節(jié)過(guò)程”所占的時(shí)間將遠(yuǎn)大于“非調(diào)節(jié)”的時(shí)間，大部分機(jī)組的運(yùn)行工況由原固有的靜態(tài)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)運(yùn)行。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋的處理和預(yù)防措施

3.1 處理方法

該水電站自投運(yùn)以來(lái)，6臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪均出現(xiàn)了數(shù)量不等的葉片裂紋情況。因此，根據(jù)多年檢修經(jīng)驗(yàn)，充分利用每年機(jī)組年度檢修的機(jī)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠、下環(huán)連接處進(jìn)行表面滲透探傷，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片其他部位進(jìn)行肉眼檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的裂紋并進(jìn)行處理，避免其進(jìn)一步擴(kuò)展。針對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋現(xiàn)象，專門制訂了適合該水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的處理方法，且取得了良好的效果。

3.2 預(yù)防措施

對(duì)分瓣轉(zhuǎn)輪來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生裂紋是難以避免的。裂紋發(fā)生的過(guò)程也是轉(zhuǎn)輪內(nèi)應(yīng)力釋放的過(guò)程，只要排除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力設(shè)計(jì)本身的原因，其他因素均可以通過(guò)后期處理來(lái)解決。隨著時(shí)間的推移，內(nèi)應(yīng)力逐步得以釋放，葉片的裂紋情況也會(huì)越來(lái)越少，直至完全消失。機(jī)組運(yùn)行中采用的主要預(yù)防措施如下。

3.2.1 堅(jiān)持避振運(yùn)行

水輪機(jī)由于自身能量特性、汽蝕特性和強(qiáng)度條件的限制，其運(yùn)行有一定的限制范圍。因此，應(yīng)在水輪機(jī)全水頭性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上合理地確定出其運(yùn)行限制區(qū)（即振動(dòng)較大的區(qū)域），盡量避開(kāi)該區(qū)域運(yùn)行，減少水力振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)輪的破壞，這是避免轉(zhuǎn)輪裂紋最重要的措施。該水電站自1998年機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，進(jìn)行了多次穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過(guò)長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累和總結(jié)，初步確定了指導(dǎo)各臺(tái)機(jī)組調(diào)度運(yùn)行的三個(gè)運(yùn)行工況區(qū)域，即穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、許可運(yùn)行區(qū)和禁止運(yùn)行區(qū)。隨著水頭的升高，上述各區(qū)有往上移的趨勢(shì)。在穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)荷區(qū)，機(jī)組各部振動(dòng)基本穩(wěn)定在一個(gè)較小的值，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)（例如水導(dǎo)擺度穩(wěn)定在60～70 μm）；在許可運(yùn)行負(fù)荷區(qū)，機(jī)組各部振動(dòng)相對(duì)較大且時(shí)有跳變，水輪機(jī)尾水管有渦帶產(chǎn)生，尾水管處有較大的噪聲；而在禁止運(yùn)行負(fù)荷區(qū)（即振動(dòng)區(qū)），機(jī)組的振動(dòng)達(dá)到了有害的地步，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性明顯變差，整臺(tái)機(jī)組呈現(xiàn)陣歇性的振動(dòng)，振動(dòng)值維持在一個(gè)相當(dāng)高的值且伴隨有很大的噪聲。對(duì)此，我們制訂了嚴(yán)格的運(yùn)行守則，確保機(jī)組最大限度地避開(kāi)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。該水電站6臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪最近幾年裂紋發(fā)生次數(shù)逐漸減少，主要是堅(jiān)持避振運(yùn)行措施取得的成果。

3.2.2 加強(qiáng)檢查

目前，對(duì)于運(yùn)行中水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生、發(fā)展還沒(méi)有有效的檢測(cè)手段，因此，每年的定期檢查是唯一有效的方法。檢查中應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的四個(gè)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行全面的無(wú)損探傷檢查，如果發(fā)現(xiàn)裂紋，及時(shí)進(jìn)行徹底的處理，防止其擴(kuò)展。

3.2.3 嚴(yán)格執(zhí)行處理工藝

在處理裂紋時(shí)，要按工藝要求嚴(yán)格執(zhí)行。對(duì)嚴(yán)重的裂紋應(yīng)制訂專項(xiàng)的處理工藝；對(duì)重復(fù)出現(xiàn)裂紋的葉片加大根部圓角半徑；在處理轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)連接處的裂紋時(shí)，應(yīng)將葉片出水邊與下環(huán)連接處平滑過(guò)渡的倒角根部厚度加大——倒角直徑增大，改善其受力狀況。對(duì)預(yù)熱溫度、焊接電流、焊接速度、層間溫度要進(jìn)行嚴(yán)格控制，每層的錘擊要徹底，焊后消氫保溫時(shí)間要夠，控制好每個(gè)環(huán)節(jié)，確保裂紋處理的質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，在近年來(lái)投入使用的水電站中，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，致使機(jī)組運(yùn)行狀況下降，嚴(yán)重地影響了水電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，必須從運(yùn)行控制、狀態(tài)分析、檢查處理等各方面著手，防止水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的發(fā)生，定期進(jìn)行檢修工作，進(jìn)而提高水輪機(jī)的穩(wěn)定性，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

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〔編輯：劉曉芳〕