機組轉輪葉片裂紋及掉塊情況分析

◎鄧竹林

（作者單位：湖南澧水流域水利水電開發有限責任公司）

文章介紹了江埡水電站#1機組轉輪葉片異常裂紋和掉塊情況及初步原因分析，對分析水力發電機組同類型故障有借鑒作用。

一、設備概況

江埡水電站共裝三臺單機100MW的水輪發電機組，生產廠家為東方電機股份有限公司，#1機1999年5月投運，水輪機型號為HLD257-LJ-367.5，共有13塊葉片，轉輪重量44000kg，標稱直徑3675mm。水輪機轉輪采用鑄焊結構，轉輪上冠、下環材料為ZG20SiMn，葉片采用具有良好抗氣蝕和焊接性能對的ZGOCr13Ni5Mo材料，轉輪采用整體方案。最大直徑4004mm，高度2371.25mm。轉輪和水輪機主軸采用螺栓連接，轉輪的上冠和下環設置熱套OCr13Ni5Mo不銹鋼的止漏環。轉輪上冠設置泄水孔，以減少對頂蓋的水壓力。轉輪泄水錐采用鋼板焊接結構，所有流道尺寸滿足與模型尺寸幾何相似。

主要技術參數：

額定出力：102MW；最大水頭109.5m；

額定流量：141.68m3/s；最小水頭62.1m；

額定轉速：187.5r/min；額定水頭：80m；

飛逸轉速：375r/min；安裝高程：120.69m；

額定效率：91.92%；吸出高程-6m。

二、江埡水電站#1機組轉輪葉片歷次裂紋及掉塊情況

2000年至2019年以來，江埡水電站#1機組在14次停機檢修過程中共發現葉片掉落4塊、貫穿性裂紋32條、非貫穿性裂紋20條，其中最大掉塊為890mm×360mm，最大裂紋長度達600mm，最多一次發現有7塊葉片出現裂紋。每次由于處理葉片裂紋及掉塊導致檢修工期延長，影響了機組的經濟運行時間，增加了檢修成本。同時葉片掉塊給機組安全運行帶來很大的威脅，可能造成重大安全事故。

三、裂紋及掉塊初步原因分析

水輪機轉輪在運行中，產生裂紋及掉塊的主要原因為東電生產的轉輪因高效率要求的設計及加工制造工藝的原因使葉片自身強度、剛度不夠，因機組長期在振動區運行受較大的水力振動影響導致葉片疲勞損傷。從#1機的機組在線監測歷史數據來看，機組自身振擺數據正常，對轉輪產生不良振動無影響；主要存在問題為以下幾點：

1.鑄造水平及焊接工藝較差。江埡#1機水輪發電機組為1997年12月出廠，通過機組的檢修測量和現場處理得出的結論江埡機組轉輪加工制造工藝較差（無數控車床，全手工打磨），如江埡#1機轉輪葉片薄厚不均（以#1機#2葉片為例，測量出水邊六個不同的位置厚度分別是15mm、14mm、12mm、10mm、15mm、12mm），葉片型線也比較差。同時自投運以來，葉片出現裂縫共52條，葉片掉落4塊，每次焊接后都是人工手動打磨，無法完美的打磨出葉片型線，通過水輪機的水流狀況惡化，水力振動較為明顯，造成的破壞也相對加劇。

2.材質問題。（1）江埡水輪發電機轉輪采用的是ZGOCr13Ni5Mo材料，咨詢廠家和其他電廠，了解到此材料生產的多臺轉輪葉片在振動區運行都出現裂紋情況。（2）在轉輪葉片裂紋及掉塊檢修現場通過多次觀察發現裂縫斷面的材質中有疑似夾渣現象，影響葉片的強度和剛度。（3）湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司所做的江埡水電站轉輪葉片理化檢驗報告中——①定量光譜分析報告結論：送檢樣品參照GB/T6967-2009《工程結構用中、高強度不銹鋼鑄件》中ZG04Cr13Ni5Mo驗收合格。注：電廠提供牌號ZG0Cr13Ni5Mo未納入標準。②硬度試驗報告檢測結果：葉片不同區域表面硬度差異較大，葉片表面和芯部硬度差異較大。③金相檢驗報告檢驗結果：疑似夾雜物部位金相組織明顯分為兩個區域，黑色區域組織為馬氏體，白色區域為奧氏體+碳化物。④拉伸試驗報告：拉伸試驗樣品表面可見明顯鑄造缺陷，如孔洞，夾雜等。⑤掃描電鏡試驗報告：原材料中存在明顯夾雜，成分為鈦硅化合物。

3.不良的運行方式。江埡水電站機組自2007年以來一直參與湖南電網AGC調節，且振動區設定范圍偏小，只有5-10MW和30-40MW兩個狹小區間，遠遠小于試驗測出的機組振動區，機組負荷大范圍頻繁變化且長時間在振動區運行。由于混流式水輪機葉片不能調節，當水頭或負荷偏離最優工況較多時，必然會有水力不穩定而使葉片承受動荷載，促使葉片裂紋產生。

四、預防措施

1.優化運行方式。（1）運行值班人員積極聯系調度，使機組盡量避開在水力不穩定葉片動載荷大的振動區域運行。（2）通過振動區劃分試驗數據報告，積極向電網調度部門溝通，設置合理的振動區，使機組避開振動區運行。

2.優化水力設計。雖然現在的技術條件比較先進，混流式水輪機中的水流也比較穩定，但是還不能夠準確預測壓力脈動幅值與相應運行區域，并且模型試驗結果和真機間依然沒有建立起具有實用價值的換算關系，所以要針對電站運行特征，合理選擇與優化水輪機的參數和設計，并建立模型試驗來驗證最佳水力穩定性。

3.重新設計制造更換轉輪。應急處理措施可對掉塊或裂紋進行修復焊接，再由人工手動打磨葉片型線后投入運行，這種處理方式受現場工藝所限，無法根本解決轉輪制造工藝及原始材質的根本性問題。要從根本上解決轉輪自身問題，應重新設計轉輪，優選材料制造安裝，同時根據新轉輪運行模式設置振動區，使機組避開振動區運行。

五、轉輪葉片掉塊及裂紋部分圖片

4號葉片掉塊

7號葉片掉塊

葉片裂紋

葉片掉塊處理過程中