HLA835a轉(zhuǎn)輪裂紋情況分析及處理

劉國章

摘 要：楓樹壩水電廠水輪機(jī)增容改造運(yùn)行3年后，2007—2013年轉(zhuǎn)輪葉片均出現(xiàn)了較嚴(yán)重的裂紋。針對葉片裂紋，結(jié)合運(yùn)行、設(shè)計(jì)制造、水力特性等對其進(jìn)行分析，提出裂紋處理方案和控制裂紋的措施。

關(guān)鍵詞：水電廠；HLA835a轉(zhuǎn)輪；葉片裂紋；裂紋消除

中圖分類號：TK730.3+23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.093

1 機(jī)組概況

楓樹壩水電廠位于東江上游干流，廣東省龍川縣境內(nèi)，是以發(fā)電為主、兼具防洪和調(diào)度補(bǔ)水功能的綜合樞紐工程。流域面積5 150 km2，水庫為不完全年調(diào)節(jié)。正常高蓄水位166 m，發(fā)電消落水位147 m。壩內(nèi)式廠房裝有2臺(tái)100 MW的混流式機(jī)組，一號水輪機(jī)型號為HLA83a-LJ-417，由哈爾濱電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪葉片材料為ZG00Cr13Ni4Mo，13個(gè)葉片。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為136.4 r/min，設(shè)計(jì)額定水頭為61 m，采用短管和大軸中心自然補(bǔ)氣方式，于2004-06-30改造后投產(chǎn)。

2 近3年轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況統(tǒng)計(jì)

近3年轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。轉(zhuǎn)輪葉片裂紋如圖1所示。

圖1 葉片裂紋圖

3 裂紋情況分析

根據(jù)國內(nèi)大中型水輪機(jī)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋的情況是相當(dāng)普遍的，特別是葉片形狀近“X”形的轉(zhuǎn)輪，幾乎很難避免。從裂紋產(chǎn)生部位來看，主要集中在葉片出水邊較薄弱的地方，包括上冠和下環(huán)薄弱部位。本廠裂紋部位為靠近上冠出水邊的“T”頭焊縫處，多為穿透性疲勞裂紋，且多數(shù)重復(fù)出現(xiàn)。

4 轉(zhuǎn)輪裂紋的主要原因

4.1 不利工況影響

根據(jù)2007—2010年度一號機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷和時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析，機(jī)組在45%Pt負(fù)荷以下運(yùn)行時(shí)間超過50%，機(jī)組經(jīng)過高水頭和低水頭長時(shí)間運(yùn)行，存在10～45 MW的振動(dòng)區(qū)，機(jī)組運(yùn)行需要AGC投入運(yùn)行。由于機(jī)組臺(tái)數(shù)少，AGC避振運(yùn)行難以實(shí)現(xiàn)，大部分運(yùn)行水頭段低負(fù)荷，機(jī)組無法避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。

4.2 水輪機(jī)的水力特性和力學(xué)特性

水輪機(jī)在低水頭、低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，由于葉片的出口正環(huán)量較大，進(jìn)口邊背面易脫流，因此轉(zhuǎn)輪在該區(qū)易產(chǎn)生較強(qiáng)的渦帶；在高水頭、低負(fù)荷區(qū)，葉片的出口負(fù)環(huán)量較大，葉片背面脫流更大，因此轉(zhuǎn)輪在該區(qū)域易產(chǎn)生較嚴(yán)重的葉道渦。在渦帶工況產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用下，葉片會(huì)產(chǎn)生疲勞性裂紋，并擴(kuò)展造成穿透性裂紋。

通過轉(zhuǎn)輪建模分析，應(yīng)用有限元強(qiáng)度計(jì)算，轉(zhuǎn)輪在節(jié)徑為1時(shí)，水中頻率為30.57 Hz，與葉倍頻數(shù)值f=nZ/60接近，易引起該部位的共振，產(chǎn)生疲勞破壞。

4.3 設(shè)計(jì)和制造不足

由于轉(zhuǎn)輪葉片扭曲近似“X”形，其特點(diǎn)為過流能力強(qiáng)、效率高、適應(yīng)水頭變幅大，但葉片出水邊較薄，出水邊厚度為16～20 mm，葉片相對單薄，強(qiáng)度不足。同時(shí)，在不利工況下，轉(zhuǎn)輪室真空負(fù)壓區(qū)域自然補(bǔ)氣困難，壓力脈動(dòng)和渦帶等不利水力因素?zé)o法得到改善或消除。

檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)葉片焊接區(qū)域存在較多的夾渣情況，說明轉(zhuǎn)輪制造過程中質(zhì)量控制不嚴(yán)，降低了焊接部位的疲勞強(qiáng)度。轉(zhuǎn)輪在不利工況中運(yùn)行時(shí)，易在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。

5 修復(fù)方案

5.1 需要的設(shè)備

除所需的常規(guī)焊接設(shè)備外，電廠現(xiàn)場焊接需要的特殊工器具和材料如表2所示。

5.2 返修工藝重點(diǎn)

返修工藝主要包括：①根據(jù)PT探傷檢驗(yàn)結(jié)果，采用碳弧氣刨的方法處理裂紋缺陷。清除裂紋區(qū)域，并修磨成可焊接的坡口。氣刨前，要將工件區(qū)域預(yù)熱至約130 ℃，將氣刨表面打磨出金屬光澤。氣刨過程中，要防止裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。②將待焊區(qū)域范圍內(nèi)的油、銹、水等有害雜質(zhì)清除干凈，然后按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT探傷，直至確認(rèn)無缺陷方可開始補(bǔ)焊。③焊前預(yù)熱。待焊區(qū)域及附近要先預(yù)熱，預(yù)熱溫度要在130 ℃以上，層間溫度不高于260 ℃。④焊接方法為熔化極氣體保護(hù)焊。⑤焊接工藝要求。電壓為20～32 V，電流為90～120 A，運(yùn)條速度為60～200 mm/min。⑥焊接時(shí)采用多層多道焊，除第一層和最后一層焊道外，逐層焊接后應(yīng)通過錘擊消除應(yīng)力。⑦焊后清理雜物，打磨氣刨表面，并按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行PT探傷，直至確認(rèn)無缺陷為止。

5.3 注意事項(xiàng)

注意事項(xiàng)包括：①修復(fù)焊條選用G367M。②焊條使用前需烘干。烘干后，存放在120 ℃焊條保溫箱備用。③穿透性裂紋氣刨時(shí)，需將一側(cè)刨至焊縫厚度的約2/3再焊接。焊完后，再在另一側(cè)氣刨余下的1/3，再焊接完。如果發(fā)現(xiàn)缺陷，則要及時(shí)消除，并做UT探傷檢測。另外，采用交替焊接控制變形。

6 改善和消除裂紋的控制措施

改善和消除裂紋的控制措施主要有：①改善機(jī)組的運(yùn)行工況。在全面振動(dòng)區(qū)的測試基礎(chǔ)上，與調(diào)度機(jī)構(gòu)協(xié)商好，在監(jiān)控系統(tǒng)AGC程序中設(shè)置避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的水頭和對應(yīng)負(fù)荷區(qū)，避免不利工況對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生損害。②加強(qiáng)對轉(zhuǎn)輪葉片修復(fù)中焊接質(zhì)量的監(jiān)督管理，嚴(yán)格按焊接工藝方案作業(yè)，確保焊接修復(fù)的質(zhì)量。修復(fù)葉片時(shí)，適當(dāng)加厚焊接區(qū)域葉片出水邊的厚度。③補(bǔ)強(qiáng)葉片，即在葉片出水邊加焊三角塊，以增加強(qiáng)度。④在試驗(yàn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，增設(shè)轉(zhuǎn)輪頂蓋強(qiáng)迫自動(dòng)補(bǔ)氣裝置，消除葉道渦和渦帶引起的水力振動(dòng)等誘發(fā)裂紋產(chǎn)生的不利工況。

7 結(jié)束語

轉(zhuǎn)輪裂紋的成因較為復(fù)雜，我們應(yīng)通過分析，找出主要原因，然后采取有針對性的措施加以解決。電廠通過加裝三角塊補(bǔ)強(qiáng)，改善自然補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行超過1年也未發(fā)生裂紋損害。

〔編輯：王霞〕