水輪機導流板裂紋分析及預防措施

黃 波

（中國大唐集團科學技術研究總院有限公司水電科學研究院，廣西 南寧 530022）

0 引言

導流板是水輪機關鍵部位的過流部件，間接決定水輪機的過流能力、水力效率、工況穩定性等工作性能[1]，現如今陸續發現部分發電企業導流板出現裂紋，甚至出現脫落[2]，特別是混流式機組[3]，工況較復雜，亟待水電企業解決，現階段也沒有有效在線監測手段，只能在檢修期間去檢查、分析。如果導流板產生裂紋，這將間接影響著設備安全運行或造成發電企業經濟損失。所以，通過分析裂紋產生原因，采取有效措施加以預防控制減少裂紋產生，進一步保證水輪機的安全、可靠、穩定的運行。本文通過簡述部分國內發電企業導流板裂紋情況，對現役機組導流板產生裂紋的主要原因進行分析，從機組運行、檢修等方面提出一些預防措施。

1 概述

目前國內陸續發現有發電企業存在導流板拉裂，甚至整塊脫落。比如新政航電樞紐貫流式3 號機組在2009 年發生上導流板脫落[4]、三峽左岸電站個別機組蝸殼部分導流板出現撕裂[5]、桃源水電站1 號機組上導流板脫落、觀音巖電站機組導流板焊縫存在裂紋甚至脫落等。某混流式水電站導流板裂紋統計情況見表1。

表1 機組歷年檢修導流板裂紋數據 裂紋長度單位：mm

通過統計數據，發現2018 年至2022 年期間，上下導流板焊縫均有存在裂紋的可能性，其中1～3 號機組導流板為阿爾斯通公司設計制造，導流板主要由加強筋來固定在底環上，總體裂紋較少，裂紋主要集中在板與板間的焊縫上；4～5 號機組導流板（見圖1）為哈爾濱電機廠設計制造，導流板折彎焊接在底環上，總體裂紋較多且長度較長，裂紋基本都在導流板與導流板板間焊縫上。通過修復處理后，裂紋趨勢得到了很好的改善。同時裂紋修復后，發現后期通過各種原因，在一定條件下又會產生，沒有規律性，且在同一位置存在反復出現裂紋的情況，并以貫穿性裂紋（見圖2）為主。2021 年某水電站發現其2號機組導流板整塊脫落后撞擊活動導葉，導致活動導葉嚴重損傷。這些裂紋的存在，嚴重威脅著設備安全運行，所以現階段迫切需要分析了解裂紋產生的原因，并提出相應的防范措施。

圖1 混流式水輪機導流板局部示意圖

圖2 導流板典型裂紋圖

2 焊縫裂紋產生的主要原因

（1）加工制造缺陷

焊接人員往往在焊接過程中由于精神、現場條件限制等因素導致未按焊接工藝要求操作導致了一些焊接缺陷的存在，比如夾渣、未焊滿、咬邊；焊接不當也會導致焊縫存在殘余應力。這些缺陷在外部應力作用下都可能導致裂紋的產生。

（2）導流板結構選材

導流板的材料選擇不當，有可能其剛度不足，不能滿足安全運行要求，加上在水力流線上容易產生磨蝕沖刷，進一步造成其剛度不足，在交變水力作用下，長期疲勞受損就會在剛度薄弱地方產生裂紋。

（3）導流板設計安裝

導流板設計安裝不合理，使加強筋板受力不均，從而使某個點或某一片區域受力集中，長期受損造成應力集中的地方產生裂紋。

（4）運行工況

運行工況不佳，如長期在低負荷振動區運行或頻繁機組啟動、停機，直接影響水力對導流板結構交變作用。導流板上的裂紋是一種疲勞裂紋，由交變的工作載荷引起，這種交變的工作載荷主要是水流壓力脈動的變化，壓力脈動變化所產生的不規則的動載荷對導流板產生反復的水力沖擊作用，如果由此引發的振動和導流板的某階固有頻率吻合，就可能導致導流板的共振破壞[6]。

3 預防水輪機導流板裂紋措施

在實際運行的水電站水輪機組，水下受力情況較復雜，導流板產生裂紋的原因往往不易判斷，特別是在運行期間過流道無法進行檢查，只能通過停機檢修檢查，這樣就造成很多前期數據分析的丟失，且裂紋出現完全沒有規律可循，這種現象目前還不能用現代最先進的數值流動分析進行預測，而且通過模型試驗也難以辨認。

通過以上分析，可以在導流板設計、制造、材料、運行、檢修等方面做一定的有效預防措施：

（1）設計方面：①根據水壓受力分析和應力計算以確保導流板結構強度、剛度滿足要求，并預留一定安全余量；②設計時應充分考慮導流板結構、安裝方式受力情況，避免導流板焊縫因應力集中產生疲勞裂紋。

（2）制造和材料方面：①宜采用防銹或耐腐蝕的材料，選用的材質成分、力學性能應符合相關標準要求；②制造過程中采用合理的焊接和熱處理工藝路線，盡可能減小殘余應力、制造缺陷，降低出現裂紋的幾率。

（3）運行方面，根據有些水電廠的運行特性曲線看出，機組運行與當地水文條件存在一定差異，造成實際機組運行工況與設計模擬的工況不符，甚至差別很大：①注意劃分機組穩定運行區域，在運行期間制定科學合理的運行及控制方式，雖然現在機組已經很少在確定的振動區運行，但長時間在小負荷及頻繁穿越振動區運行，對水輪機仍然不利，因此，要盡可能減少或避免非穩定工況運行；②水輪機經常性振動、擺度突然增大或超過標準，出現異常情況時，應考慮停機檢查。

（4）檢修方面，應做到以下幾點：①定期檢查，結合機組檢修對導流板部位裂紋、磨損和空蝕進行外觀檢查并記錄，防止裂紋、磨損和大面積空蝕造成部件損壞。根據檢查情況適時開展焊縫無損檢測抽檢，及時發現并有效處理裂紋問題，做到有裂紋必補、有缺陷必修，一旦發現缺陷，及時補焊消除，防止進一步惡化；②制定有效的修復焊接工藝，并對焊接工藝進行評定，在導流板焊接修復過程中嚴格按照工藝技術要求進行；③所有修復的焊縫進行100%無損探傷（比如進行相控陣、TOFD 超聲波檢測等先進檢測技術），焊縫質量要滿足相關標準、規程的要求；④確保修型準確，過流表面光滑，無裂紋和凹凸不平等缺陷。

（5）進一步，可對機組運行工況進行精細化大數據分析，通過振動、壓力脈動及噪音分析水輪機的工作狀態，用于水輪機的狀態評估。

（6）合理對加強筋增焊，變相增加其剛度，改善導流板固有頻率，杜絕或減輕導流板結構疲勞斷裂。

（7）利用現階段的檢驗檢測技術手段，加強導流板檢驗檢測研究分析，如對導流板裂紋顯微特征分析和化學成分分析，對母材、焊縫、熱影響區金相組織進行檢驗。

（8）進行焊縫殘余應力檢測，降低后期因殘余應力釋放而造成裂紋產生的幾率。

4 結語

在金屬材料、制造工藝、機組工況越來越優的趨勢下，國內仍存在水輪機導流板裂紋的問題，隨著水輪機的使用水頭和單機容量的不斷提高，從安全運行與可靠性的角度來對水輪發電機組的過流部件裂紋消缺的要求愈來愈高，發電企業有必要針對企業導流板裂紋產生的原因進行研究分析，采取合理科學的手段處理解決，消除機組可能產生的安全隱患，確保機組安全、可靠、穩定、經濟地運行，以及降低水電站的日常運行維護的費用，從而提高水輪機運行的技術經濟水平，有著重要的實際意義。