浅析混流式水轮机转轮裂纹产生原因与处理方法
时间：2021-01-28 22:06:12 来源：达达文档网 本文已影响 人 
张秉章
摘要：混流式水轮机普遍用于国内中高水头水电站，公伯峡水电站机组运行十年后4#、5#机组相继出现规律裂纹，经过处理后逐年有持续增加迹象。文章对裂纹产生的原因及处理方法进行了分析。
Abstract：
Francis turbines are commonly used in domestic medium and high head hydropower stations. After 10 years of operation， the 4# and 5# units of Gongboxia Hydropower Station have regular cracks. After treatment， there are signs of continuous increase year by year. The article analyzes the causes and treatment methods of cracks.
关键词：叶片;裂纹;转轮;应力
Key words：
blade;crack;runner;stress
中图分类号：TK733.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）25-0142-02
0 引言
公伯峡水电站共安装5台立轴混流式水轮机，型号为HLA801—LJ—580，转轮为整体铸造，铸焊结构;材料为全马氏体不锈钢，叶片采用真空精炼、数控加工，下环用钢板卷焊。首台水轮发电机组于2004年投运，投运至今已有16年时间，设备总体运行情况良好。
1 公伯峡水电站机组参数
1.1 水轮机基本参数
型号：HLA801-LJ-580;最大水头：106.6m;设计水头：99.3m;最小水头：96.7m;额定流量：338.71m3/s;额定转速：125r/min;额定功率：306MW。
1.2 发电机基本参数
型号：SF300.6-48/13200;额定容量：334000kVA;额定电压：18000V;额定电流：10713A;功率因数：0.90;飞逸转速：230r/min。
2 公伯峡水轮机组转轮叶片裂纹检查结果
2019年12月03日，4号机组C级检修时发现转轮有5个叶片的出水边上部均出现了不同程度的裂纹，共计6条，其中转轮叶片有4条为贯穿性裂纹，有2条为浅表性裂纹;尤其是转轮11#叶片裂纹较严重，贯穿性裂纹长度达到430mm，见现场图片1。
2020年2月27日，5号机组C级检修，对转轮叶片探伤时，发现转轮有5个叶片的出水边上部均出现了不同程度的裂纹;尤其是转轮2#、10#叶片裂纹在2018年4月份进行的C级检修中也出现在相同部位的区域，其中2#叶片贯穿性裂纹长度达到110mm，并出现气孔，详见现场照片图2。
3 裂纹产生原因分析
①机组运行工况原因：5#机转轮裂纹位置及走向基本一致属于规律性裂纹，原因是叶片所承受的动应力及其应力产生循环次数超过了材料的水下疲劳极限导致产生疲劳性裂纹。
图3是2018、2019年中8个月份，5#机组承担的出力分布情况。从图中可以看出，5#机组有很大一部分时间运行在50MW以下，即转轮长期在0-40%Pr（Pr为额定出力）工况运行。水电机组运行工况不良导致转轮叶片产生裂纹的主要原因之一，水头变化和不同负荷下，叶片承受的动载荷不同，在极小负荷区及强涡带区时，叶片承受的动应力较大，水轮机在这种工况下运行后和机组不稳定运行的其它因素叠加，加速裂纹的形成和发展。
②根据公伯峡5F机组稳定性试验报告分析：
1）在 40-120MW区间运行时，上机架和顶盖的水平振动、水导摆度、顶盖压力脉动都有明显的增大趋势。
2）在40-80MW区间运行时，顶盖、下机架、上机架的垂直振动随负荷变化，其频率与压力脉动的中频成分频率一致，可以判断各部件的中频成分振动是由压力脉动造成的。
3）在0-120MW区间运行时，产生的低频振动随负荷的增大逐渐增大，部分量值超标，在60-80MW处达到最大值;超过120MW后开始减小，超过200MW以上趋于稳定。
综上所述，可初步判断，机组长期在低负荷运行是造成叶片裂纹的一个主要因素。
③裂纹修复原因：根据电站现场机组情况及叶片修复情况，修复工艺不好也是造成转轮裂纹相继产生的一个间接原因。5#机转轮在2018.04.13检查中有1#、2#及10#叶片，共计3个叶片有上冠部位浅表性裂纹，经过碳弧气刨刨开、清根、补焊、修磨过程;在2020.04.13檢查中有 2#、5#、10#、11#、13#叶片，共计5枚叶片有上冠部位浅表性裂纹，处理过的2#、10#叶片裂纹重复出现，有可能在检修工艺、工序中没有达到工艺标准造成。
4 裂纹缺陷处理方法
4.1 缺陷检测
对转轮焊缝及邻近区域进行100%的UT、PT探伤检查，对缺陷的性质进行确认和记录，该记录作为返修的依据。
4.1.1 缺陷清除方式
①浅表缺陷的清除。对于浅表层（10mm以内）的裂纹原则上应采取机械磨具磨削方式清除。
②深度缺陷的清除。
1）对于较长的未贯透或贯透的裂纹，应采取“先断头，再分段清除”的方式。先在裂纹端部分别使用电钻或旋转锉等机械磨削方式打止裂孔，孔径不小于6mm，孔深应比裂纹深度大4-6mm，给出清除的预设余量，防止裂纹清除过程中继续扩展。
2）使用碳弧气刨从裂纹的端部向中间清除，裂纹清除之前，裂纹及相邻100mm范围内的母材应预热至不低于50℃，并在裂纹清除过程中始终保持这一温度。
3）缺陷清除过程中，随形制备出便于焊接的坡口，坡口角度可为40-45°，坡口深度视实际情况而定，并打磨露出金属光泽。
4.1.2 通过可视（VT）检查初步确认缺陷清除干净后，采用PT探伤检查二次确认缺陷完全清除。
4.2 焊接修复
①焊接前，清净焊接坡口及周圍20mm范围内的油污、锈蚀、探伤残留液等影响焊接质量的杂质。
②焊前预热：对补焊部位及100mm范围内的母材应预热至100-80℃之间为宜，并在焊接过程中始终保持这一温度。预热方式根据现场的实际情况可采用电加热方式或火焰均匀加热方法进行。火焰加热过程中应缓慢均匀，避免局部温度过高。
③焊接方法选择。根据现场设备条件、缺陷的大小，选择合适的焊接方法和焊接参数。对于返修量较小的点状缺陷或少量磕碰伤，可采用钨极氩弧焊进行焊接返修;对于返修量较大的线性缺陷或较大面积长焊缝，采用手工电弧焊或熔化极气体保护焊进行焊接返修。
若选择手工电弧焊，则要求焊条使用前，需按照焊条使用说明进行烘干，烘干后放置100-150℃保温箱内保存，随用随取。焊条领取时，必须使用焊条保温桶领取。
④在焊接时尽量采用较小的焊接规范进行多层多道焊接，降低焊接残余应力的目的，焊接过程中控制层间温度？燮150℃。
⑤起弧和收弧处应使用砂轮机打磨。施焊下一道焊缝之前，应清除焊道表面的所有熔渣，对诸如裂纹、未熔合、焊瘤、焊道成型不良以及其它将对焊接质量产生不良影响的可见缺陷进行清除。
⑥焊接返修过程中除盖面层外需进行逐层锤击，至焊缝表面均匀屈服，方可进行下层焊缝的施焊。
焊后打磨及无损探伤：
1）对焊接返修区域进行粗磨，粗磨后对焊接位置进行PT探伤检查，对于返修深度大于10mm的裂纹类缺陷，粗磨后需进行UT探伤检查。2）无损探伤检查合格后，进行半精磨、精磨，使返修部位与相邻区域平滑、光滑过渡，去除返修部位所有凹坑和尖角。3）精磨后对焊缝进行PT探伤检查，探伤过程中发现缺陷，可采用钨极氩弧焊按焊接工艺规范要求进行返修。4）对叶片修复部位进行抛光处理，表面粗糙度不低于Ra3.2。
5 结束语
水轮机转轮是水电站势能转换成动能的核心部件，转轮结构设计、制造、安装、运行、维修质量决定水轮机整体性能，为了保证水轮机组的运行质量，探讨解决转轮叶片裂纹可实现水电站安全稳定运行，提高安全生产效率，达到安全经济运行。
参考文献：
[1]GB-T5864-2003，水轮发电机组安装技术规范[S].
[2]Q/GBX 10001-2019，水轮机发电机技术规程[S].青海黄河水电公司公伯峡发电分公司.
[3]Q/GBX 10002-2019，水轮机技术规程[S].青海黄河水电公司公伯峡发电分公司.
[4]GB 8564-88，水轮发电机组安装技术规范[S].
