某水電站轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析與處理

靳偉鋒，張 毅

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責任公司，湖南 長沙 410004）

某水電站位于湖南省湘西北澧水流域上，為引水式水電站，由進水口、引水發(fā)電隧洞和電站廠房等建筑物組成。電站安裝1 臺15 MW 混流式水輪發(fā)電機組，設計水頭50 m，主要任務是發(fā)電，年設計發(fā)電量3 765萬kW·h，年設計利用小時數(shù)2 510 h，采用機變單元接線，升壓至110 kV 接入地方電網(wǎng)，在地網(wǎng)中承擔基荷運行。電站水輪機型號為HLA616-LJ-210，設計水頭為50 m，發(fā)電機型號為SF15-22/4250。機組于2009 年5 月并網(wǎng)運行，電站生產(chǎn)運行及技術(shù)管理采取委托管理。水輪機具體參數(shù)如下：

型式：HLA616-LJ-210；額定轉(zhuǎn)速：272.7 r/min；額定流量：33.84 m3/s；額定水頭：50 m；工作水頭：37.22～65.34 m；轉(zhuǎn)輪材質(zhì)：ZG06Cr13Ni4Mo（工程結(jié)構(gòu)用中、高強度不銹鋼）。

1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2011 年3 月電站首次開展機變B 級檢修, 發(fā)現(xiàn)機組轉(zhuǎn)輪葉片上冠、下環(huán)出水邊有不同程度的氣蝕和裂紋。裂紋長度50～110 mm 不等，裂紋形狀相似，大部分為貫穿型裂紋。裂紋的部位、長度、深度等情況見表1。圖1、圖2 分別為4#葉片下環(huán)處和上冠處裂紋。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋后，電站嚴格按生產(chǎn)廠家制定的處理方案進行了修復處理和無損探傷檢測，處理完全后投入運行。但電站隨后在2012、2013 年度檢修時，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片開裂現(xiàn)象依然存在，且裂紋發(fā)生位置、性質(zhì)與2011年裂紋基本一致，仍在葉片上冠、下環(huán)出水邊“R”角焊縫處。

表1 轉(zhuǎn)輪裂紋有關信息

圖1 4#葉片下環(huán)處裂紋

圖2 4#葉片上冠處裂紋

2 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋原因分析

由于轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)多次裂紋且裂紋發(fā)生部位多在同一位置，每次轉(zhuǎn)輪葉片裂紋修復導致檢修工期延長，且影響機組的經(jīng)濟和安全運行。因此電站生產(chǎn)運行管理單位非常重視，2013 年組織業(yè)主、設備制造廠、檢修單位及特邀專家進行專題研究，針對電站機組轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因、解決措施進行分析和討論。

對于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

1）應力方面。從力學及材料力學上來說，葉片裂紋的出現(xiàn)是葉片所承受的動應力超過了葉片材料疲勞強度極限的結(jié)果。導致葉片疲勞的主要來源為作用在其上的交變載荷，而交變載荷又由變化的水力自激振以及不斷變化的水輪發(fā)電機組負荷產(chǎn)生。該電站在地區(qū)電網(wǎng)中擔任基荷運行，開機后基本上就帶滿負荷運行，不存在嚴重交變載荷；且機組投運時間不長，年利用小時數(shù)不高，因疲勞損傷導致轉(zhuǎn)輪葉片開裂的可能性不大。

2）設計方面。該機組采用的HLA616 型轉(zhuǎn)輪為哈爾濱大電機研究所研發(fā)，最大使用水頭75 m，比較適用于電站的實際運行工況（H=37.22～65.34 m）。HLA616 型轉(zhuǎn)輪自1997 年開發(fā)以來，已在貴州巖寨（HLA616-LJ-164）、越南大松（HLA616-LJ-108）等多個電站使用，均未發(fā)生轉(zhuǎn)輪裂紋的現(xiàn)象，故轉(zhuǎn)輪設計方面不存在問題。

3）材質(zhì)方面。電站轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為馬氏體工程結(jié)構(gòu)用中、高強度不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo，此鋼材機械性能優(yōu)良，在工業(yè)領域中應用非常廣泛，水電設備中大型水輪機轉(zhuǎn)輪等過流部件多采用該材料制造。從生產(chǎn)廠家提供的材質(zhì)分析報告看，因材質(zhì)原因引起轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的可能性較小。

4）制造工藝方面。制造工藝缺陷是引發(fā)轉(zhuǎn)輪裂紋的重要原因之一，混流式機組轉(zhuǎn)輪葉片型面為復雜的空間扭轉(zhuǎn)曲面，斷面為流線翼型。部分制造廠家為追求轉(zhuǎn)輪高效率，轉(zhuǎn)輪流線較高，更好地符合水流規(guī)律，導致轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊往往較薄，葉片厚度不夠，削弱了轉(zhuǎn)輪葉片的剛度和強度，而往往導致裂紋產(chǎn)生。該電站轉(zhuǎn)輪葉片出水邊較薄，為4～5 mm，其剛度和強度不足，轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋與之有較大關系。轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量和焊接工藝若把控不到位也將導致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生。焊接質(zhì)量不良主要表現(xiàn)在氣孔、砂眼，焊接工藝不良將導致葉片局部存在較大殘余應力。電站轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片是分別鑄造后再焊接成型，雖然經(jīng)過熱處理，但仍有不可控因素致使葉片局部存在較大應力而在相對復雜的運行工況中產(chǎn)生裂紋。

經(jīng)綜合分析，初步判斷導致電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因為電站轉(zhuǎn)輪葉片出水邊偏薄、焊接工藝及焊接質(zhì)量不良引起。

3 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理方案

通過分析討論，參會相關專家就電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理方案進行了細致的商議，建議對轉(zhuǎn)輪葉片采取補強處理。在生產(chǎn)運行管理單位的協(xié)助配合下，設備制造廠家在認真研究、廣泛走訪調(diào)研的基礎上，提出在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊裂紋處采用加三角鐵補強處理方案，其采取的主要方法及工藝為：

1）HLA616 轉(zhuǎn)輪為14 片葉片，考慮到轉(zhuǎn)動件的平衡及穩(wěn)定，對所有葉片均進行三角鐵補強。

2）三角鐵材料與葉片母材相同，其厚度保證原葉片厚度單邊增加，同時制作弧形三角鐵，以確保形線的精確度。

3）對三角鐵及焊縫進行打磨修整，確保轉(zhuǎn)輪出水邊形狀圓滑過渡，對葉片線型進行修復。三角鐵焊接嚴格按照規(guī)范化焊接工藝進行，同時保證殘余應力及時消除。

4）對所有焊接區(qū)進行UT、PT 無損探傷檢測，不合格的進行補焊，直至合格為止。

5）三角鐵補強及坡口示意如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)輪裂紋處三角鐵補強示意圖

由于電站現(xiàn)場條件有限，現(xiàn)場處理無法保證焊接質(zhì)量和消除殘余應力以及線型修復等工藝要求，故建議轉(zhuǎn)輪返廠處理，以便保證各項工藝措施全部執(zhí)行到位，確保轉(zhuǎn)輪裂紋處理徹底。

生產(chǎn)運行管理單位與業(yè)主商議后最終確定，在2014 年對機組進行擴大性大修，在大修時按廠家優(yōu)化后的處理方案進行轉(zhuǎn)輪返廠處理。2013 年暫按2011 年、2012 年處理方案在現(xiàn)場修復并進行無損探傷檢測，處理合格后投入運行。

4 結(jié) 語

水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋是水電站比較常見的現(xiàn)象，嚴重影響著電站的安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟運行。本文從水力、設計、材質(zhì)和制造工藝等多方面分析了HLA616-LJ-210 轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的主要原因，針對轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因并結(jié)合國內(nèi)電站轉(zhuǎn)輪裂紋處理的方法，制定了合適的處理方案。

按照制定的處理方案，電站在2014 年汛后對機組進行了擴大性大修，轉(zhuǎn)輪吊出返廠進行補強處理。處理后，經(jīng)過6 年的運行檢驗，未再發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋現(xiàn)象，證明該電站轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析正確，處理方案切實可行，返廠處理工藝及措施得當，徹底解決了影響該電站穩(wěn)定運行的安全隱患，對國內(nèi)其他水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理有一定的參考和借鑒意義。