水輪機葉片裂紋原因及預防措施研究

周春野

摘 要：水輪機作為重要的水電設備，是水力發電行業中的重要組成部分，一旦水輪機葉片出現裂紋，會對水輪機的實際運行狀態產生嚴重的影響，因而加強水輪機葉片裂紋的原因分析具有重要的現實意義，在此基礎上提出合理的預防措施，從而有效的保證水輪機的實際工作效果。本文就此進行簡要分析，僅供相關人員參考。

關鍵詞：水輪機葉片；裂紋；原因；預防措施

水輪機是水力發電行業中的重要機械設備，在實際應用中將水流的能量轉換為旋轉機械能，從而帶動發電機發電。近年來水輪機葉片裂紋問題角明顯，嚴重影響了水輪機的總體運轉效率，導致電站運行存在嚴重的安全隱患。針對此種情況，加大力度對水輪機裂紋進行原因分析，并提出有效的預防措施，是當前水電站所面臨的一項重要問題。

1 水輪機葉片裂紋的現狀

相關調查研究顯示，若水輪機葉片裂紋的斷口表面能夠觀察到明顯的貝殼線，說明水輪機葉片的裂紋屬于疲勞裂紋，與水輪機葉片使用時間過長存在密切的聯系。若水輪機葉片的裂紋主要形成于葉片的進水邊或出水邊的焊縫附近，并保持一定的距離，這說明焊接工藝以及熱影響區材料的脆化點那個都不是導致疲勞裂紋的原因。

部分水輪機葉片裂紋呈現明顯額張開和錯位情況，裂紋狀態具有一定的特殊性，主要沿平行焊縫向內部進行擴展，并且擴展速度較迅速。若裂紋擴展方向偏向于葉片本體，并且擴展速度逐漸減緩，則說明焊接殘余拉應力與疲勞裂紋之間存在一定聯系，可知焊接拉應力對疲勞裂紋的形成和擴展的實際影響較大。

通常情況下，在進行轉輪的替換過程中，在保證轉輪型號一定的情況下，一般不會產生疲勞裂紋。若水輪機葉片在實際應用中存在缺陷，在動載荷的作用下，疲勞裂紋可能會提前發生。但這并不是導致疲勞裂紋出現的根本原因，而水輪機葉片進出邊中部的裂紋則主要是由于葉片的材料存在不足而引起的。

就近年來水輪機葉片裂紋的總體情況來看，新開發的高效率轉輪的發生裂紋比例要明顯高于其他類的轉輪，其中主要以大型轉輪和巨型轉輪為主。從實際情況來看，盡管水力設計的水平不斷提高，水輪機葉片的型線更好的滿足了水流規律，但是對葉片的動載荷的研究仍存在明顯的不足，有待相關人員積極進行解決，從而最大程度上減少水輪機葉片裂紋的出現。

2 水輪機葉片裂紋形成的原因

通過查閱相關資料，并對學者的研究報告進行分析可知，在馴化載荷的作用下， 水輪機葉片裂紋形成并擴展，嚴重情況下導致水輪機葉片出現斷裂。判斷水輪機葉片是夠屬于疲勞破壞，應當對材料的實際承受應力幅值以及葉片材料的實際疲勞限度為基礎因素進行分析和判定。

2.1 就疲勞裂紋的實際特性來看，只有在拉應力作用下，疲勞裂紋才能夠形成并擴展，且疲勞裂紋的萌生通常位于葉片的表面，以尖角部位最為明顯。疲勞并不是一朝一夕產生的，是在循環應力作用下形成的，并且塑性變形損傷累計到一定程度后，便形成疲勞裂紋。疲勞裂紋的擴展方向與裂紋尖端應力場的最大主應力方向存在密切聯系，擴展狀態也比較明顯。

2.2 就應力狀態的實際影響來看，它與葉片裂紋的形成存在著密切的聯系，尤其是在動應力幅值、平均應力頻率以及環境介質等參數的作用下，對疲勞裂紋的出現有著重要的影響。若構件所承受的動應力幅值超過了材料本身的疲勞極限，則極易導致疲勞裂紋的出現。與此同時，若動載荷幅值過大，會加速裂紋的出現。水輪機葉片的動載荷主要來自于水流的沖擊力，因而在循環應力幅中，拉應力時疲勞裂紋萌生和擴展的主要因素。

2.3 材料狀態對疲勞裂紋的影響

材料的成分、雜質含量、組織結構、熱處理狀態、表面狀態和缺陷都對其疲勞性能有直接影響。一般規律是鋼的疲勞極限與其抗拉強度成正比，但如果強度過高，塑韌性很低，鋼的脆性很大，一旦疲勞裂紋形成，將會發生脆性失穩斷裂，造成嚴重后果。采用不同的制造工藝，構件的疲勞性能也不同。鍛造可減少缺陷，使組織致密和細化，抗疲勞性能較鑄件要好。鋼板材料因精煉后軋制而成，具有良好的抗疲勞性能。葉片的表面狀態很重要，表面光潔度越高，裂紋萌生需要的時問越長。有試驗表明，將疲勞試樣表面拋光到很高的光潔度，所測得的疲勞極限值明顯升高。

2.4 葉片裂紋原因分析

目前，轉輪的強度計算仍以靜態強度校核為主。由于水力計算還不能提供在某個穩定流態下，葉片承受載荷的變化情況，即動載荷譜，因此，無法進行動強度計算。根據以往的實際的真機葉片應力測量結果，按靜應力估算動應力，判定轉輪的疲勞強度是否滿足要求。

對于一些新型高效轉輪，由于設計時采用先進的流體計算軟件，葉片形狀變化較大，更加符合水流規律要求，轉輪的效率很高，但對其引起的疲勞強度變化，特別是大型和巨型轉輪的疲勞強度，沒有深入研究。掌握轉輪的動載荷譜，準確計算出轉輪的疲勞強度十分重要。如果能確定產生循環應力的振動源，并采取措施消除或減少循環應力幅值，則可保證轉輪的安全運行。

3 葉片裂紋的預防措施

對于混流式轉輪，焊接殘余應力高是促進疲勞破場、的重要原因。研究和改進焊接工藝，減少焊接殘余應力可減緩疲勞裂紋的產生。通過增加葉片厚度，特別是出水邊的厚度，可降低葉片的工作應力值，即降低了平均應力水平，同樣可提高葉片的疲勞強度。

采用精煉等方法可減少葉片的雜質含量。葉片中鑄造缺陷有促進疲勞裂紋萌生和擴展的作用，必須采取有效的方法預防。利用鋼板和電渣重熔坯料熱彎成型的葉片，不但缺陷少，而且組織致密。葉片的加工應避免應力集中，同時提高葉片表面潔度和增加葉片進出水邊端棱角的圓弧半徑，避免疲勞破壞的表面和尖角效應。防止葉片疲勞裂紋的產生不外兩方面的措施，一方面改善葉片的應力場狀態，即減少動載荷幅值，殘余應力和工作應力。另一方面增強葉片的抗疲勞能力，即提高葉片的疲勞極限值。

應當保證水輪機葉片的高應力部位的材料質量和性能，盡可能提高材料的抗水下疲勞性，并在此基礎上對澆口和冒口進行合理的設置，最大程度上避免鑄造過程中存在缺陷，從而有效的提高水輪機的實際工作效能。應當對水輪機葉片的表面光潔度進行合理的控制，盡可能減少出水邊應力的集中，從而對葉片裂紋進行有效的控制。

結束語

從宏觀層面來看，水輪機葉片裂紋產生的原因與葉片所承受的循環應力幅值過大存在著密切的聯系，導致疲勞裂紋出現。就葉片裂紋的實際情況進行分析和研究，我們發現減小葉片的殘余應力是防止葉片裂紋出現的有效方式，并在此基礎上對抗疲勞制造技術進行研究和探索，盡可能減少疲勞裂紋的出現，從而保證水輪機的穩定運行。

參考文獻

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