混流式機組轉輪裂紋原因分析及解決辦法

馬劍瀅

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

混流式機組轉輪裂紋原因分析及解決辦法

馬劍瀅

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

通過對某水電站機組轉輪葉片產生裂紋的原因分析，找出了解決辦法，達到了較好效果，并對同類型機組提出了應注意的問題和預防措施。

混流式機組；轉輪；裂紋；處理

1 概述

水電站工程位于甘肅省迭部縣花園鄉東約0.3 km的益高村附近，距迭部縣城約75km。廠房內安裝3臺單機容量20MW立軸混流式水輪發電機組。多年平均發電量為24705萬kW·h，年利用小時4118h。

3臺機組相繼于2013年2月、4月和5月投產發電，3號機組最晚投產發電。在2014年機組檢修過程中發現1號機組、3號機組轉輪存在裂紋，且3號機組有兩條貫穿性裂紋，長度達到650 mm，后經過返廠處理，安裝后目前運行穩定。本文就轉輪裂紋產生的原因以及處理方法做一詳細的闡述，供大家學習交流。

2 機組參數

最大水頭 65.45 m

加權平均水頭 61.78 m

額定水頭 59 m

最小水頭 54.6 m

極端最小水頭 46.14 m

多年平均含沙量 0.633 kg/m3

多年平均懸移質輸沙量 11.9×104t

水輪機型號 HLX240-LJ-220

額定出力 21 MW

最大出力 24.0 MW

額定轉速 272.7 r/min

飛逸轉速 530 r/min

額定流量 38.47 m3/s

最大流量 45.45 m3/s

額定點效率 94.4%

最大效率 95.22%

機組旋轉方向 俯視順時針

軸向水推力 最大水頭65.45 m時，最大水推力為110 t。

3 現象描述

2013～2014年年度設備檢修時未發現異常，2014～2015年年度檢修時發現3號轉輪2個葉片出水邊與下環焊接部位出現650 mm、700 mm長的貫穿性裂紋。后經仔細檢查在轉輪的13個葉片中除7號葉片外，其余葉片均存在裂紋，長度從20mm到200 mm不等。詳見表1、圖1。

表1 各葉片裂紋長度

從表1及圖1中可見轉輪裂紋數量之多、裂紋之長在近年來都是罕見的。

1號葉片及13號葉片裂紋見圖2及圖3所示：

圖1 轉輪

圖2 1號葉片裂紋

圖3 13號葉片裂紋

13號葉片的裂紋從出水邊根部延伸至葉片中部位置，幾乎貫穿整個葉片，從圖2、圖3看出裂紋位置位于葉片出水邊與下環連接根部部位，在焊縫的熱影響區域內。

4 原因分析

為解決轉輪裂紋問題，筆者從應力分析、生產制造、安裝運行等方面對轉輪裂紋產生的原因進行分析。從而提出解決問題的方法措施。

4.1 應力分析

從花園電站轉輪計算結果可以看出，轉輪在各種工況下應力最大值均出現在葉片出水邊與下環連接根部位置，最大應力值達到204.8MPa。此計算結果顯示的最大應力位置與轉輪發生裂紋的部位相吻合。

圖4 轉輪網格劃分

圖5 轉輪葉片計算模型

圖6 轉輪葉片計算結果

4.2 選型方面

從圖7可以看出，機組在選型之初，過分追求超負荷能力，而忽略了低負荷運行區域的穩定性能。

圖7 模型特性曲線

4.3 焊接原因

圖8看出在轉輪葉片與下環焊接根部存在氣孔現象；圖9顯示焊角處存在頸縮現象，并且過渡圓角過小，未能達到設計要求。

圖8 轉輪葉片根部氣孔

圖9 轉輪葉片出水片與下環焊接部位焊角

4.4 制造、安裝原因

在準備檢修轉輪，分解機組的過程中，發現上導、下導軸承間隙均超標，下導總間隙由安裝時的0.35 mm，增加到0.79～1.11 mm不等。遠遠超出設計要求。

在檢查中還發現下導軸瓦瓦托于支柱螺栓接觸部位出現裂紋。如圖10所示。

圖10 下導軸瓦瓦托裂紋

4.5 主要原因

通過以上4項內容，綜合分析轉輪裂紋產生的原因主要有4方面：

1）機組選型不當，過分追求機組的超發能力，而忽略了機組在額定工況以外運行區域的穩定范圍，導致機組在低負荷運行區域運行時，轉輪應力過大，機組存在安全隱患。

2）轉輪在設計階段已經測算出最大應力在葉片出水邊與下環連接部位，在結構設計時未針對性的采取降低應力有效措施，導致最大應力點始終存在于葉片出水邊與下環連接部位的薄弱環節。

3）轉輪焊接階段，對焊接質量把控不嚴，在焊縫處出現氣孔，以及縮頸現象，加劇應力集中。

4）下導軸瓦瓦托設計不合理，與頂瓦支柱螺栓接觸的部位厚度只有5 mm，無法承載軸瓦受力，在運行時發生斷裂，導致導瓦間隙變大，使得機組運行時振動、擺度值加大，加劇轉輪裂紋的產生。

5 處理方法

5.1 方案確定

處理方案有兩種：1）新加工一臺轉輪替換有裂紋的轉輪；2）修復原有轉輪繼續使用。

綜合上述兩種處理方案，為不影響現場發電，減少損失，最終選擇將舊轉輪進行修復后暫時解決今年汛期發電問題，然后投制一臺新轉輪，在檢修期間進行更換。

5.2 修復轉輪的工藝方案

基于轉輪裂紋長度大以及裂紋數量多的特征，研制修復方案采取以下措施：

1）在裂紋頭部鉆止裂孔，孔徑不小于6 mm。2）開設焊接坡口、并打磨至要求，防止焊接時葉片開裂。

3）在葉片出水邊與下環連接處、葉片出水邊與上冠連接處增加三角型筋板，以降低此處應力提高抗裂紋能力。

4）采取焊后退火的措施，消除焊接應力。

5.3 防止轉輪裂紋再次發生采取的措施

1）降低轉輪葉片應力。采取在應力集中部位增加三角型筋板的方式，改善葉片受力情況和降低容易發生裂紋部位的應力。

2）提高安裝精度。在轉輪修理完成后，機組回裝階段，嚴格控制安裝質量，將機組軸線調整至優良范圍內。

3）增加下導瓦托的強度。將瓦托原來的厚度由5 mm增加至8 mm，重新加工8套瓦托。

4）改善機組運行范圍。將機組運行范圍限定在1萬～2萬kW之間，避免在低負荷、以及振動區域運行。

通過采取以上措施，機組于2015年1月28日并網發電，機組運行良好。

6 結語

轉輪裂紋是在世界范圍內廣泛存在的現象，裂紋產生的原因與多種因素有關，如：選型設計、結構設計、材料選擇、加工制造、焊接工藝、安裝調試、運行范圍等，每一個環節都密切相關，互相影響。轉輪裂紋嚴重影響電站的安全運行。在發生裂紋后需要準確分析原因，對癥及早處理。

轉輪處理后已經使用一個汛期，經過檢查再未發現裂紋，目前運行穩定。實踐證明轉輪裂紋臨時處理的方法是得當的，但是要徹底解決轉輪裂紋問題，還需要從根本上杜絕裂紋產生的原因。從設計、選型階段就要綜合考量轉輪的性能，不單純追求高效率、高指標，把電站的長期安全、穩定運行放在首要位置。

TV730.3

B

1672-5387（2016）10-0054-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.016

2016-06-01

馬劍瀅（1974-），男，高級工程師，從事水電站機電設備檢修維護管理工作。