水電廠機組轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)裂紋分析及處理

陳世程，邵飛燕，方戊強

（四川省紫坪鋪開發(fā)有限責任公司，四川 成都 610039）

0 引言

紫坪鋪水力發(fā)電廠位于成都市西北60 余km的岷江上游（汶川映秀至都江堰段），是一座以灌溉和供水為主，兼有發(fā)電、防洪、環(huán)境保護等綜合效益的I 等大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積22 662 km2，占岷江上游流域面積的98%。紫坪鋪水力發(fā)電廠由擋水大壩、泄洪排沙系統(tǒng)和引水發(fā)電系統(tǒng)組成，主要建筑物鋼筋混凝土面板大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、沖沙放空洞、引水發(fā)電系統(tǒng)進水口為1 級建筑物，按1 000 年一遇洪水設(shè)計洪峰流量8 300 m3/s，最大洪水校核洪峰流量12 700 m3/s，地震設(shè)計烈度為Ⅷ度。正常水位877.00 m，死水位817.00 m，汛限水位850.00 m，防洪高水位861.60 m，設(shè)計洪水位871.20 m，校核洪水位883.10 m，水庫庫區(qū)面積18.16 km2，總庫容11.12 億m3；總裝機容量76 萬kW，多年平均發(fā)電量34.17 億kW·h。

1 概述

紫坪鋪水力發(fā)電廠總裝機容量為76 萬kW，安裝4 臺單機容量為19 萬kW 的混流式水輪發(fā)電機組，最高水頭132.76 m，最低水頭68.40 m，水頭變幅較大，開停機次數(shù)較多，對機組的運行穩(wěn)定性和靈活性的要求高，要求水輪機設(shè)備能安全、可靠運行。因此，水輪機轉(zhuǎn)輪選用俄羅斯LMZ 公司提供的PO140-LJ-485 型轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪最大壓力脈動雙振幅值為△H/H=7%，葉片為鋼板模壓成型數(shù)控加工，將上冠、下環(huán)和葉片焊接成一體，轉(zhuǎn)輪為整體轉(zhuǎn)輪，并且只出現(xiàn)在低水頭的部分負荷地方，該工況運行時間很少，能量性能符合紫坪鋪電站要求，高效區(qū)寬廣，運行區(qū)域優(yōu)良，并有相當大的超出力能力。

1.1 轉(zhuǎn)輪主要附件

轉(zhuǎn)輪主要附件見表1。

表1 轉(zhuǎn)輪主要附件

1.2 轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)

轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)

1.3 基本原理

把水流的能量如動能、勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C組的機械能。

2 裂紋的發(fā)現(xiàn)與檢測

紫坪鋪水力發(fā)電廠2 號機組汛后檢修時對轉(zhuǎn)輪上冠進行滲透探傷檢測（PT），檢測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪上冠與上止漏環(huán)封焊焊縫存在3 處缺陷：4 號葉片附近存在400 mm 裂紋，其中連續(xù)裂紋長度達250 mm；9 號、10 號葉片附近存在較少裂紋，長度僅幾毫米；11 號葉片附近存在150 mm 裂紋且較為明顯。

2.1 缺陷情況

缺陷情況見圖1～圖3。

圖1 4 號葉片附近焊縫缺陷

圖2 9 號～10 號葉片附近焊縫缺陷

圖3 11 號葉片附近焊縫缺陷

2.2 轉(zhuǎn)輪及止漏環(huán)剖視圖

轉(zhuǎn)輪及止漏環(huán)剖視圖見圖4。

圖4 轉(zhuǎn)輪及止漏環(huán)剖視圖

3 轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)裂紋缺陷原因分析

3.1 運行工況的因素

2019 年04 月，四川電網(wǎng)采用小網(wǎng)運行，系統(tǒng)容量小，容易受到負荷波動影響，省調(diào)要求紫坪鋪電廠投入AGC 運行，以便于隨時調(diào)頻。在AGC 投運前，電廠運行人員主要根據(jù)四川省調(diào)值班調(diào)度員的指令或當日負荷曲線進行有功功率調(diào)整，可人為對每臺機組的有功負荷進行單獨調(diào)整，亦可對負荷變化趨勢進行預判，具有一定的靈活性，能最大限度地避免機組頻繁地跨振動區(qū)運行。在AGC 投運后，系統(tǒng)無法對負荷變化趨勢進行預判，機組是否跨越振動區(qū)運行完全由負荷情況決定，當AGC 有功設(shè)定值與實際值超差大于跨振動區(qū)有功死區(qū)且機組不跨越振動區(qū)無法調(diào)整時，就會有機組跨越振動區(qū)運行。AGC 控制實質(zhì)上是根據(jù)系統(tǒng)負荷“差值”進行調(diào)節(jié)，而系統(tǒng)負荷總在不斷地變化，新的負荷給定值源源不斷地下發(fā)，AGC 的調(diào)節(jié)在不斷進行，因此，發(fā)電廠在投入AGC 后，機組運行時“調(diào)節(jié)過程”所占的時間將遠大于“非調(diào)節(jié)”時間，大部分機組的運行工況由原固有的靜態(tài)運行轉(zhuǎn)換為動態(tài)運行，動態(tài)調(diào)節(jié)成為發(fā)電機組的常有工況。這段時間內(nèi)，機組在特定水頭、特定負荷以及負荷變化過大導致渦流現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪受到?jīng)_擊出現(xiàn)強烈振動、異常響聲，雖設(shè)置了強迫補氣裝置減少水工建筑、水輪機各部件的振動、異響問題，但是在特定工況下依然存在影響機組轉(zhuǎn)輪等重要部件的振動及交變應力。

3.2 設(shè)備的因素

2 號機組在汛后A 級檢修后，進行定、轉(zhuǎn)子空氣間隙測量，上端軸止口中心復測，轉(zhuǎn)子磁極圓度、垂直度及中心高程測量，機組中心及軸線調(diào)整等，其中定、轉(zhuǎn)子空氣間隙部分數(shù)據(jù)超標見表3。

表3 2 號機組A 級檢修定、轉(zhuǎn)子空氣間隙測量記錄 單位：mm

2 號機組空氣間隙部分數(shù)據(jù)超標，磁場會不均勻，可能導致定轉(zhuǎn)子之間磁拉力變化引起振動及噪聲，通過主軸傳遞到水輪機設(shè)備，主軸擺動產(chǎn)生的諧振可能導致轉(zhuǎn)輪部件焊接處疲勞失效區(qū)域的產(chǎn)生和擴展。分別在2 號機組正常運行狀態(tài)、異常狀態(tài)、停機狀態(tài)下，對2 號機組上導、下導/推力、水導軸承振擺、上機架、下機架、頂蓋振動，3 部軸承瓦溫、油溫進行檢查，各部振擺、溫度均正常。

3.3 水力的因素

紫坪鋪水力發(fā)電廠水輪機的運行，既要適應蓄水位的大幅度變化，又必須適應供水期滿足下游綜合用水要求的低負荷長期運行考驗，HLPO140 水輪機轉(zhuǎn)輪具有良好的空化指標，但是長時間在特定負荷工況下運行也將使水輪機上冠部分、葉片出水邊靠上冠部分、葉片進水邊背面產(chǎn)生較為嚴重的汽蝕破壞；HLPO140 水輪機轉(zhuǎn)輪不可調(diào)節(jié)的特性，使其在偏離最優(yōu)工況時會受到?jīng)_擊和脫流，此間，在高水頭時產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪進口邊背面脫流及較大出口負環(huán)量，形成復雜旋渦運動，隨著振擺幅度增大發(fā)生壓力脈動，而旋渦受尾水管壁的作用，形成一個上下反復浮動的激振源，使轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片不斷受壓；在低水頭時產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪進口邊背面脫流及較大的出口正環(huán)量，使水輪機在區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較強的渦帶和嚴重的葉道渦，水流分離成片狀渦串通過轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片的流道流出，導致水輪機振動加劇，誘發(fā)轉(zhuǎn)輪設(shè)備出現(xiàn)裂紋缺陷[1]。

3.4 應力的因素

紫坪鋪電廠水輪機轉(zhuǎn)輪工作時，水流帶動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，在水壓力及離心力的作用下產(chǎn)生震蕩應力區(qū)，大應力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊，大應力區(qū)中的4 個高應力區(qū)分別為：葉片進水邊正面靠近上冠處、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片出水邊正面中部、葉片與下環(huán)連接處；轉(zhuǎn)輪周期性的負載變化會導致應力發(fā)生急劇變化，這些變化對轉(zhuǎn)輪金屬材料的疲勞抗性產(chǎn)生緩慢影響；加之轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片焊接成一體，在焊接過程中，如果存在夾渣、氣孔等不當工藝,或者消氫處理不徹底，就會造成局部應力集中缺陷以及氫致裂紋，這些缺陷在外部應力的作用下最終會轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒘鸭y源，雖然裂紋會延遲發(fā)生，但轉(zhuǎn)輪在長期運行下會導致金屬材料老化及疲勞裂變，最終裂紋加深、擴大，造成設(shè)備缺陷[2]。

3.5 磨蝕的因素

水輪機過流部件在含沙水流中工作時發(fā)生空蝕和沖蝕統(tǒng)稱磨蝕。紫坪鋪水力發(fā)電廠為高比速混流式水輪機，磨蝕嚴重的主要部件是轉(zhuǎn)輪葉片進水邊靠近上冠和下環(huán)處、下環(huán)內(nèi)表面和葉片出水邊靠近下環(huán)內(nèi)表面處；轉(zhuǎn)輪葉片與上冠下環(huán)的連接處磨蝕最嚴重，從進口到出口邊磨蝕范圍逐漸加大，磨蝕程度逐漸加深，形成一個磨蝕三角區(qū)。形成三角區(qū)磨蝕的主要原因是轉(zhuǎn)輪葉片間的二次回流引起的脫流，在二次回流的作用下，脫流渦使沙粒以較大的沖角打擊轉(zhuǎn)輪；此區(qū)域也是最高流速區(qū)和焊接影響區(qū)，水流含沙濃度最大，在高轉(zhuǎn)速下獲得附加動能，加速轉(zhuǎn)輪的磨蝕；在水庫上游區(qū)域出現(xiàn)暴雨、山洪、泥石流等自然災害時，磨蝕更為嚴重。

通過以上分析，水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋是由多種因素共同引發(fā)的，2 號機組轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)裂紋產(chǎn)生的主要原因為轉(zhuǎn)輪運行中上冠處承受的基本壓力較高，3 類情況下的應力集中，產(chǎn)生的交變應力在高頻振動工況下不斷加劇，致使上冠止漏環(huán)處金屬材料疲勞，而磨蝕加劇了破壞程度及區(qū)域面積的擴大，最終導致不同程度的裂紋產(chǎn)生。

4 裂紋的處理

4.1 清理及加熱工藝

轉(zhuǎn)輪裂紋，尤其是高應力區(qū)的裂紋，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就應盡早補焊處理。①要有經(jīng)過驗證的成熟工藝，由具有專門經(jīng)驗的焊接工程師指導,選擇優(yōu)秀焊工嚴格按工藝認真完成補焊工作，同時做好焊接過程和焊后的錘擊去應力和焊縫質(zhì)量檢查；②選擇焊接材料熔敷金屬力學性能（≥580 MPa)、抗裂性能優(yōu)良的不銹鋼焊材為佳。由于是在現(xiàn)場處理，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)環(huán)境潮濕，相對濕度大于90%，存在機組滲水等惡劣環(huán)境。焊條按說明書烘焙，并保存在保溫箱中，保溫箱應預先加熱，溫度保持在120～150℃；針對線性缺陷，采用角磨機和旋轉(zhuǎn)銼的方式清理缺陷，缺陷清理部位按ASME 標準進行PT 探傷，確認缺陷清理干凈；將待焊區(qū)域及附近50 mm 的油污、水分等雜質(zhì)和異物清理干凈。施焊前，用火焰加熱方式預熱待焊區(qū)域及鄰近區(qū)域，加熱應均勻，使待焊區(qū)域及其附近75 mm 范圍內(nèi)≥80℃；焊接過程中，在焊接覆蓋前一道熔敷金屬以前，應清除所有焊渣，同時焊縫及鄰近的母材亦應采用磨、刷或用其他合適的方法清理干凈；焊接修復轉(zhuǎn)輪缺陷后，采用保溫毯覆蓋緩冷處理[3]。

4.2 焊接及打磨探傷

將待補焊部位四周50 mm 范圍內(nèi)進行局部預熱，預熱溫度大于等于80℃，預熱后，采用AWS E309MoL 電焊條進行焊接，焊前焊條必須按焊條使用說明書進行烘干。手工電弧焊焊接工藝規(guī)范按表4 要求進行；焊接時，焊縫表面應高于母材表面3 mm，作為打磨余量。粗磨焊縫表面，特別注意過渡區(qū)域的打磨和防止打磨縮頸；精磨和拋光焊縫表面，與周邊區(qū)域平滑過渡；對相關(guān)打磨區(qū)域按ASME標準PT 檢查；按上述要求2 號機組轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)裂紋處理后，經(jīng)VT、PT、UT 檢查探傷合格。

表4 手工電弧焊焊接工藝規(guī)范

5 結(jié)語

紫坪鋪水利發(fā)電廠2 號機組轉(zhuǎn)輪上冠上止漏環(huán)裂紋修復完成后投入使用，截止到目前為止設(shè)備運行良好。水輪機轉(zhuǎn)輪上冠止漏環(huán)出現(xiàn)裂紋缺陷，嚴重影響水輪機設(shè)備安全穩(wěn)定運行及經(jīng)濟效益的發(fā)揮，合理安排發(fā)電負荷，采取合理的運行方式優(yōu)化水頭區(qū)間進行預防，堅持避振運行，在檢修中采取無損探傷檢測后進行打磨補焊處理，發(fā)現(xiàn)的缺陷及時處理，可以降低類似缺陷的發(fā)生從而提高水輪機的安全穩(wěn)定性，保證機組穩(wěn)定運行。