水力發電廠水輪機固定導葉裂紋研究

孫晉明，孫成剛，吳章勤，艾川，王明智，李濤，王立凱

（1.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217；2.云南華電魯地拉水電有限公司，云南 大理 671611）

0 前言

固定導葉作為水輪發電機組導水機構中最重要的鑄鍛件之一，一直都是大型水輪機組制造和運維面臨的重點，在水輪發電機組運行中起到導流作用，產生環量進而形成連續流道，使水流在連續的流道內流動，不至形成死角和突然擴散從而影響水輪機效率。對水輪機導葉內部因鑄造生產的鑄造缺陷，焊接時于焊縫及熱影響區域易于產生焊接缺陷而導致產生裂紋。在運行狀態下，固定導葉受到來自水流的沖擊、腐蝕，以及所含砂石的沖刷、導致其表面防腐層受損，更嚴重的是固定導葉焊縫及熱影響區裂紋擴展，從而使得固定導葉安全性能大大下降，嚴重影響水輪發電機組的安全運行。

1 水力發電廠固定導葉及焊縫裂紋

結合水力發電廠機組檢修機會，按照《水電廠金屬技術監督規程》的要求，對金屬技術監督/服務工作范圍內的水力發電廠的42 臺機組，共1008 個固定導葉進行檢查，其中固定導葉焊縫出現裂紋103 條，3 個固定導葉表面出現裂紋，檢查發現固定導葉缺陷絕大部分存在于固定導葉及焊縫、母材熱影響區的表面及近表面。

某水電廠機組固定導葉在檢修期間，發現其中9 個固定導葉及焊縫及其焊縫存在17 處缺陷，其中具有代表性的#13 固定導葉及焊縫進水端正壓側上焊縫存在長為120 mm 的裂紋，裂紋位于焊縫熱影響區，沿焊縫方向延伸，正壓側區域為平直狀，進水端區域為不規則狀，裂紋寬而深，端頭尖銳；進水端正壓側下焊縫存在長為210 mm 的裂紋，裂紋位于焊縫熱影響區，沿焊縫方向延伸，呈平直狀，中段平滑端頭尖銳，裂紋較淺。固定導葉及焊縫出水端輻射狀裂紋，裂紋貫穿母材、熱影響區和焊縫，裂紋寬而深，裂紋表面銹蝕嚴重；正壓側存在2條裂紋，位于母材表面，裂紋寬而深，表面銹蝕嚴重。

2 固定導葉結構及作用

水輪機固定導葉是水輪機導水部件的重要組成部分，作為重要的引水部件，對固定導葉的設計需要考慮固定導葉整體結構對水流及機組效率的影響，也要顧及運行狀態下水流降低單個固定導葉的安全性能，故而在結構、角度、數量等方面都有嚴格要求，在滿足上述條件的基礎上盡量減少過流損失，提高其抗氣蝕性能。水輪機的固定導葉連同其兩端的環形結構(分別稱為上環和下環)一起稱為座環，起到支撐機組轉動部分和發電機重量，并將載荷傳遞到基礎上去，座環的結構主要分兩種：一種是蝶形邊座環，一種是平行邊座環。近年來可逆式機組所用座環類型大多為平行邊座環，不僅有利于與固定導葉的焊接，而且可以減少用和不用橢圓截面，減少了加工難度[1-2]。為減小水輪機組固定導葉的出水邊與上下環板連接處的應力集中，固定導葉出水邊盡量要厚，而且不要有尖角，盡量保證圓滑[3]。

圖1 固定導葉結構設計圖

水輪機固定導葉和活動導葉又被稱作雙列葉柵，在設計上它們必須滿足水泵水輪機雙運行方向上都具有良好的進水和出水條件。選擇固定導葉時應考慮：一，按強度要求選取最小的葉片厚度；二，導葉長度盡量小，通常取1.1左右；三，對于給定的葉型，可以在一定范圍內改變其旋轉軸位置來調整導葉的開關趨勢和水力矩大小[1]。

圖2 固定導葉及焊縫位置示意圖

混流式水輪機在最優工況（轉速n=64 轉/分，流量Q=220 升/ 秒）時，引水部件的水力損失占水輪機總水力損失的54%，轉輪損失占25%，尾水管水力損失占21%[4-5]。因此，混流式水輪機最優工況時引水部件內的水里損失占較大比重，約占水輪機總水力損失的一半。說明混流式水輪機的引水部件在總的能量平衡中起到重要的作用。水輪機導水部件性能的好壞直接影響整個機組和電站的經濟技術指標。

3 固定導葉及焊縫裂紋產生原因

水輪機固定導葉及葉連同其兩端的環形結構，其裂紋形成有綜合原因一般有以下幾種情況[6-7]。

1）在機組運行狀態下，固定導葉始終受到內應力和振動應力作用[8]，從而導致應力集中產生裂紋。對出現裂紋的固定導葉進行統計觀察，發現裂紋絕大部分都出現在角焊縫或者是角焊縫與管座之間過渡段位置。固定導葉及焊縫在焊接時存在一定的內應力，機組運行過程中，還要存在承受波動沖擊造成的共振作用；由于固定導葉是與環板固定，角焊縫受到的力就相當于固定導葉的固定端位置所受的力，所受彎曲應力最大點在進水和出水端，形成一種峰值應力。機組長期運行，在角焊縫及附近母材部位形成應力集中，當應力水平達到一定值時，就在應力集中區域，同時又是材料強度薄弱區域出現裂紋。

2）固定導葉及焊縫區域存在強度薄弱區域。角焊縫到管接頭過渡區域的金相組織比其他部位差，在焊縫及其熱影響區，過渡區域的材料強度等機械性能要比其他部位的機械性能差。當材料一定的工作溫度下長期受到低周應力作用，且彎曲應力達到其值時，在角焊縫到管接頭過渡區應力集中部位，產生疲勞裂紋源，并逐漸擴展呈一條線性裂紋[9]。

3）水輪機啟動、停運時水流啟停所導致裂紋擴展加速。水輪機在啟動和停運狀態下因水輪沖擊而造成的應力很大，使裂紋源發生擴展，進而形成裂紋。

4）固定導葉及焊縫產生裂紋的另一個原因，是在該部位發生應力腐蝕現象。當承受拉伸應力的作用時，一般來說，只需很小的拉伸應力即可引起應力腐蝕。固定導葉及焊縫局部承受著重量不平衡產生的應力，在角焊縫形成局部的拉伸應力，并且形成局部應力集中；同時與材料種類相匹配的特定腐蝕介質環境，這是對無初始表面裂紋的元件而言的。當元件有初始表面裂紋時，鋼材在一般介質中都將發生應力腐蝕。水是腐蝕性較強的介質，在運行狀態下水滲入固定導葉及焊縫處，使固定導葉及焊縫外壁產生嚴重氧化腐蝕現象，極易產生微觀裂紋等缺陷，在微觀裂紋處形成裂紋源，因此，固定導葉及焊縫在很低的應力水平和腐蝕性很弱的介質中，引起應力腐蝕出現裂紋。

5）固定導葉及焊縫存在鑄造缺陷和焊接缺陷，也是產生裂紋的重要因素。運行中由于鑄造缺陷和焊接缺陷的發展，特別是面狀缺陷的尖角效應，很容易發展為裂紋源[10]。

4 固定導葉及焊縫裂紋分析

水輪機固定導葉及焊縫產生的裂紋的原因主要有以下幾點：

1）固定導葉及焊縫在機組運行狀態下，受到共振作用，往往導致金屬疲勞，容易產生疲勞裂紋。

2）固定導葉及焊縫存在鑄造缺陷和焊接缺陷，這些不同類型的缺陷成為了裂紋源，易導致疲勞裂紋早期形成和使得部件的抗疲勞能力下降。

3）固定導葉及焊縫處于沖擊壓力、內應力，且存在振動的環境，在長期的混合應力和振動應力的共同作用下，更加容易產生疲勞裂紋和造成裂紋的擴展。

4）固定導葉及焊縫外表面均具有氧化腐蝕和氣蝕現象，氧化腐蝕和氣蝕等表面微小缺陷是新的裂紋源，其在應力作用易形成裂紋并擴展。

5）固定導葉結構上的角焊縫的是應力集中區，這也是產生裂紋并擴展的因素。

5 固定導葉及焊縫裂紋預防建議

根據歷次水輪發電機檢修檢驗情況，為預防固定導葉及焊縫產生裂紋，建議采取下列措施：

1）在制造安裝及修理改造過程中優化焊接工藝，提高焊接質量。特別是對固定導葉進行修復和焊接時，現場的工作條件受到一定的限制，保證焊接質量和減少因應力集中是防止產生裂紋重要措施。

2）從設計上對固定導葉及焊縫進行優化改造，并保證固定導葉及焊縫的光潔度，特別是對裂紋修復后[11]；對固定導葉及焊縫進行保護，防止產生氣蝕等表面缺陷而形成新的裂紋源；對機組運行振動區進行分析，發現的問題及時處理解決，以保證機組安全運行。

3）重視水輪發電機組安全性能檢驗，加強固定導葉及焊縫等金屬部件的監造。在電站建設階段應對固定導葉及焊縫等金屬部件制造、安裝、焊接時進行重點檢測，提高其角焊縫可靠性，避免制造缺陷的存在。同時，對運行中固定導葉及焊縫按相關檢驗規程進行定期檢驗，對已出現的缺陷進行監控。

6 結束語

水輪機固定導葉的裂紋在水電站實際運行過程中產生的裂紋是多種因素綜合作用的結果，嚴重地影響水輪機的正常工作，對機組的安全穩定運行形成了安全隱患。機組檢修時需根據現場實際狀況對水固定導葉及焊縫的檢測，當發現裂紋時，應及時對裂紋產生的原因進行分析，采用合理、科學的手段進行處理，以保證機組安全運行[12]。