红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理(正式)
水轮机转轮叶片裂纹原因及预防措施研究
水轮机转轮叶片裂纹原因及预防措施研究水轮机是水力发电厂的重要机械设备，在实际应用中将水能转换为旋转机械能，从而带动发电机发电。
近年来水轮机叶片裂纹问题逐渐明显，严重影响了水轮机的总体运转效率，导致电站运行存在严重的安全隐患。
针对此种情况，加大力度对水轮机裂纹进行原因分析，并提出有效的预防措施，是当前水电站所面临的一项重要问题。
标签：水轮机叶片；裂纹原因；预防措施引言在水轮机实际应用中，转轮叶片裂纹的频繁产生，不仅对机组安全运行构成很大威胁，也给水电厂带来极大的经济损失。
因此，为了防止因水轮机转轮问題而给水电站的安全、稳定、经济运行带来严重威胁，就需要分析转轮叶片裂纹产生的原因，采取有效的措施进行预防控制，以降低水轮机转轮叶片裂纹的发生，进而提高水轮机的安全、稳定性，保证机组的安全经济运行。
本文论述了转轮叶片裂纹产生原因，并介绍裂纹处理的主要措施。
一、水轮机转轮叶片裂纹分析水轮机转轮叶片裂纹产生的原因主要有以下几个方面：1、水轮机转轮叶片老化严重众所周知，任何机械设备都是有使用期限的，如果设备老化到一定程度，必然会出现损坏，尤其是对水轮机转轮叶片来说，其与水压发生作用与反作用力，易产生裂纹。
2、水轮机转轮叶片制造材质、加工过程存在问题水轮机转轮叶片主要材质是钢，如果原材料质量不过关，加工制造的叶片也容易产生裂纹。
如果在叶片锻造过程中，锻造工艺不过关，有气泡存在叶片之中，那气泡存在的位置就是个隐患源，叶片就会在这个隐患处出现裂纹。
3、转轮振动过大造成叶片裂纹出现（1）尾水管涡带所产生的，以低于转速频率来表现的转轮振动剧烈造成叶片裂纹。
（2）某些中、高混流式转轮的下止漏环配置不当也会诱发接近转速频率的自激振动造成叶片裂纹。
（3）叶片出水边形状欠佳所产生的卡门涡振，频率很高时会使叶片产生裂纹影响转轮使用寿命。
4、水力因素在水轮机转轮叶片上出现的规律性裂纹绝大多数都属于疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。
从力学及材料力学上来说，疲劳裂纹的出现就是叶片所承受的动应力超过了叶片材料疲劳强度极限的结果。
水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施 应尧
水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及解决措施应尧摘要：要想保证水利工程安全，应对可以影响其安全的因素进行分析。
在水利工程中水轮机的使用时间过长或是其它不利情况会导致其出现裂缝，从而阻碍水轮机组的正常运行，甚至会导致安全事故的出现，给水利工程带来一定的经济损失。
所以要想有效的解决水轮机裂缝问题应找出其中的原因并制定出防治裂缝的方案，在此基础上提升水轮机转轮的工作效率与使用寿命。
关键词：水轮机；转轮叶片裂纹；产生原因；解决措施1叶片裂纹产生原因1.1受力分析转浆式水轮机与混流式水轮机有一定的区别，混流式水轮机在进行叶片固定时，主要是由上冠与下环来进行固定的，所以没有办法根据水流与相关工作情况进行调节，这样就需要做好工作流程运行设计工作，如果设计工作出现问题会出现破坏、无撞击进口以及反向出口条件不佳的情况，会改变水流的方向与水流量，最终使水轮机叶片尾处以及微端水管内部会产生移动旋涡，移动旋涡轮流会出现交变力，交变力的产生会对水轮机的叶片产生冲击并出现共振效应，强烈的振动最终会造成叶片裂纹。
1.2工作超负荷由于水电站工作强度相对较大，所以很多工作人员为了提升水轮机的工作效率，常常会超出工作范围，时间长了转轮机的承受时间会超出其本身的承载力，这也给叶片带来一定的损伤，并导致安全隐患。
在对水轮机进行设计时应对其所处环境进行深刻的了解，由于地域不同水流情况也有所区别，叶片也会在水的应力下产生变化，当叶片的最大受力点处于出水口与下环间的连接位置时，其受力相对较弱，在压力长期作用下会导致叶片出现开裂的情况。
由于水轮机在使用过程中难免会因操作流程不符合标准而产生问题与损伤，焊接位置由于受到水流的长期冲击会产生轻微的变形与气缝。
在水轮机生产制作的过程中会因为一些操作不精准而导致叶片受损，工作操作强度过高会导致叶片出现裂纹，再加之各部分零件在连接时不精准，叶片会因水流冲击引起滑动，长时间后会因为其不稳定而产生裂纹。
2解决水轮机转轮叶片裂缝的措施2.1保证选型的准确性水电站在选择水轮机型号时应与实际情况相结合，同时将导致叶片裂缝的原因进行深入的分析，同时对吸出高度、额定转速以及额定处理等相关参数进行计算，在此基础上合理的选择机型。
水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理
水泵水轮机转轮裂纹成因分析及处理摘要：近些年水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。
转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。
采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。
关键词：水泵水轮机；转轮裂纹；成因；处理1水泵水轮机转轮裂纹成因分析1.1转轮形状变形转轮的出水叶片相较于整个转轮的其他部分，是整个转轮的强度最低的位置，同时该位置由于叶片出水时会收到水面的张力等方面的因素，导致该出是整个转轮结构中应力最为集中的区域，同时该处还会受到水流长时间的侵蚀，由于长时间水流侵蚀的原因还会导致该处的厚度减少，导致该处的应力结构发生变化。
1.2振动方面水轮机转轮在运行中，因为水力振动原因也会导致焊缝疲劳损伤产生裂纹。
产生水力振动主要有以下因素：水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。
当机组在非设计工况或过渡工况运行时，通过水轮机的水流状况恶化，水力振动较为明显，造成的破坏也相对加剧。
1.3负载超出材料最大负荷负载超出额定的最大负载也是导致转轮出现裂纹的重要原因，这是由于设计师在进行转路基设计的时候没有充分地考虑到负载增大的问题，当出现特殊情况时，应力超出了机器的最大负载，进而导致转轮的叶片受损。
当机组长时间处于超出额定工作频率的情况时，便会由于超出转轮叶片等结构建设材料的疲劳极限而降低叶片的耐压能力，进而导致叶片出现裂纹。
2水泵水轮机转轮裂纹的处理措施2.1提高轮叶质量轮叶质量的好坏，将直接决定转轮使用时间的长短。
因此，必须要注重对轮叶生产品质的提升。
首先，应注重样板的设计与制作。
水轮机中的轮叶结构比较复杂，任何一点的误差，都会造成轮叶形状的改变。
在挑选样板时，可以优先选择磨损程度较轻的转轮，这是因为磨损程度越轻，则代表该轮叶越符合水轮机的运行需要。
水轮机转轮产生裂纹原因
水轮机转轮裂纹产生原因分析及处理水轮机转轮是水轮机的重要组成部分，其轮毂与叶片间过渡区在力学性能上是整个转轮的薄弱环节，该区域在机组运行中容易发生裂纹。
本文介绍了水轮机转轮在检修中发现裂纹情况的分析和处理。
1、转轮裂纹原因分析（1）应力作用在机组运行中，转轮在受到高压水压力和高转速离心力的共同作用下，转轮叶片周边存在4个高应力区，位置主要分布在叶片进水边正面靠近上冠处、叶片出水边正面的中下部，这些部位极易产生裂纹。
通过电厂转轮探伤结果显示，转轮裂纹基本都出现在转轮叶片与上冠、下环的连接焊缝处，而裂纹位置基本都分布在叶片进水正面靠近上冠处和叶片出水边背面的中下部。
由此可判断，高应力作用是裂纹产生的可能原因之一。
（2）结构方面电厂转轮为上冠、叶片、下环单独制造，然后进行组焊连接，焊接时在叶片的中部留钝边未全焊透方式也是焊缝纹产生的可能原因之一。
（3）振动原因水轮机转轮在运行中，因为水力振动原因也会导致焊缝疲劳损伤产生裂纹。
产生水力振动主要有以下因素：水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。
当机组在非设计工况或过渡工况运行时，通过水轮机的水流状况恶化，水力振动较为明显，造成的破坏也相对加剧。
2、转轮焊缝裂纹处理方案及处理结果（1）对深度在2mm以下的轻微裂纹采用裂纹打磨消除以及裂纹周边打磨圆滑处理；（2）对深度超过2mm以上的轻微裂纹及叶片上的圆坑，采用裂纹打磨堆焊、焊缝打磨、抛光的方法，最大限度保证轮原流道曲线；（3）对叶片深、长裂纹采用裂纹全长度范围内在不损坏母材的情况下对裂纹打磨至叶片根部进行消除并清理，然后用母材质相似型的超低碳不锈钢焊条进行补焊，然后对焊缝进行打磨和抛光，具体实施方案如下：对焊缝裂纹进行打磨、清理工作后，进行局部加热工作，加热温度不得低于100℃，加热采用火焰加热的方式；加热工作完成后，开始进行堆焊工作，为确保焊接的质量要求，在焊接过程中辅助工作人员需随时监测和控制加热部位温度。
浅析水轮机转轮裂纹产生原因及处理对策
浅析水轮机转轮裂纹产生原因及处理对策水轮机是水电站机组中重要的组成部位，但是其也是最容易受到损害的部位。
随着目前人类对能源的需求与日俱增，如何加强对水轮机的危害的防治，延长其使用寿命，保证水轮机的正常运行已经成为了必须亟待解决的问题。
在本文中，笔者主要对目前水轮机转轮裂纹这一现象进行详细的讨论。
标签：水轮机、转轮、裂纹、原因、对策前言：在本文中笔者通过对水轮机运用的概述，对目前我国水电站常见的水轮机转轮裂纹产生的原因进行了分析，并通过对原因的分析，提出了相应的裂纹处理与预防措施。
一、水轮机运用概述能源作为国家的重要战略支柱，在各国受到了高度重视。
近年来随着我国经济社会的不断发展壮大，我国对于电能的需求与日俱增，但是化石能源作为不可再生储能，给人类的居住环境带来的威胁越来越大。
为了更好的做到节能减排，缓解气候变化，满足经济和社会的可持续发展需求。
我国一直都把可再生能源作为未来能源战略的重要规划进行了长久以来的实施。
随着我国水电站的的不断新建，在其为人们提供了重要生活、生产保障的同时，自身也相继出现了诸多问题，例如水轮机转轮裂纹的产生，它不仅降低了机械运作的寿命，同时也对电能生产带来一定的影响。
作为水轮机的重要组成部分，水轮机转轮的轮毂与叶片之间的过渡区是整个转轮的力学薄弱区，在机组运行中非常容量发生裂纹。
近年该问题在诸多水电站的生产中相继出现，已经成为了一个不得不亟待解决的技术关键。
二、常见水轮机转轮裂纹产生的原因目前在水电站水轮机的使用类型中主要以混流式水轮机转轮、轴流式水轮机、贯流式水轮机等为主。
以下就以混流式水轮机转轮为例，从水力、设计、铸造、运行、共振等多种因素对其产生的裂纹进行分析：1、水力方面疲劳裂纹、断口出现明显的贝壳纹均属于水轮机转轮叶片上的规律性裂纹，从力学和材料力学两方面来讲，疲劳裂纹的出现主要是由于叶片承受的动应力超过了叶片材料的疲劳强度极限所至。
一旦出现叶片承载不足的情况，叶片就极易出现叶片裂纹。
水电厂水轮机转轮叶片的裂纹处理及防控
水电厂水轮机转轮叶片的裂纹处理及防控发表时间：2019-09-19T09:04:31.097Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：陈健[导读] 摘要：在本篇文章中主要将某水电厂中的水轮机组作为实例，在针对水轮机组展开日常检修时，利用超声波技术探测出转轮叶片上存有裂纹，深入分析水轮机组中转轮叶片出现裂纹的主要原因，进而针对裂纹提出科学、有效的处理方式与防控对策，旨在为相关人员提供微薄的参考依据。
（松花江水力发电有限公司吉林丰满发电厂 132108）摘要：在本篇文章中主要将某水电厂中的水轮机组作为实例，在针对水轮机组展开日常检修时，利用超声波技术探测出转轮叶片上存有裂纹，深入分析水轮机组中转轮叶片出现裂纹的主要原因，进而针对裂纹提出科学、有效的处理方式与防控对策，旨在为相关人员提供微薄的参考依据。
关键词：水电厂；水轮机转轮叶片；裂纹处理及防控在某水电厂中一共具备15台水轮机组，总容量约在63万kw左右平均每台机组的实际容量约为4.2万kw左右，整个水电厂属于较为综合的电厂，将灌溉、航运以及发电等集于一体。
其中出现裂纹问题的水轮机组型号是GZ932-WP-750，转轮的直径约为7.5m，额定流量约为492m³/s左右，在整个水轮机的转轮上共有四个叶片，材质为马氏体的不锈钢并通过真空的精密方法所制作。
在相关人员针对所有水轮机组展开日常检查时，通过超声波技术探测出所有机组中的三组都存有不同程度的裂纹，这些裂纹不仅会影响叶片的正常运行，还会对整个机组的实际运作造成直接影响。
一、水电厂水轮机转轮叶片出现裂纹的主要原因在日常检查中探测出水轮机组中的转轮叶片上存有裂纹状况后，某水电厂立即停止了水轮机组的运行，并针对裂纹出现的主要原因展开全面分析，最终发现导致叶片出现裂纹现象的主要原因有以下两方面：第一方面，如果水轮机组处于非最佳情况下或低水头情况下运行的话，就会导致水轮机组的工作状况差，在转轮的出口处水流会逐渐变成环流，这样在水管的尾部会形成旋状的涡带，这种涡带会随着水流而有所移动，如果移动到水管壁的话就会变成压力脉动，最终严重增加水轮机组的振动状况。
水轮机转轮叶片裂纹成因及对策分析
使水流环量大小和方 向发 生变 化 ， 在转 轮叶片 出水边 、 尾水管 内形成不稳定旋涡 。 当水流绕流 叶片 ， 由出 口边（ 圆形出水边） 出时 ， 流 便会 在 出 口边产生卡 门涡列 ， 涡交替 出现形成对叶 片 旋 侧向的交变力 ， 并形成有规则 的周期 性振动 ， 其 振动频率 与 叶片出 口边 的厚度 及流速有 一定 的关系 ，当 冲击频率与 叶片 自 频率相 同便产 振
这些 脉动压 力将引起叶 片的交变应力 。有资料 表明俄 罗斯 克拉斯诺雅尔斯克水 电站水 轮机转 轮 在非设 计 工况 下 ，动应力 达最 大 静应 力 的 １％。可见尾水管压 力脉动能 引起 一定幅值 的 ５ 交变应力 ，若这种激振频 率与叶片或下环 的固
有频率耦合 时 ， 必将诱 发更大的动应力 ， 造成 叶
片开裂。
３裂纹无损探伤检查 在大修时对转 轮进行无损探伤检查 ， 时 及
处理 缺陷 ， 消除事故 隐患是十分必要 的。 严重 的 和表面发现缺 陷的部位进行超声波探伤 。检验 裂纹 等缺 陷用 肉 眼和放 大镜 外 观检 查 即可 发 中发现 的裂纹等危险 陛缺陷应进行处理。 ４裂纹处理 现 ，但较细小 的缺 陷和内部的缺陷必须用无 损 探 伤检查。 常用的无 损检测方法有以下几种 ： 磁 ４ ． １阻止裂纹延伸 粉探伤 、 渗透探伤 、 超声波探 伤 、 金属磁记忆 、 射 通常裂纹的两端尾部 内应力接近材料 的极 线检测等。 裂纹易于产生的应力集 中部位 ， 叶 限强度 ， 如 在外力或热 应力的影响下还会继续延 必须在裂纹两 端打止裂孑 ， Ｌ孔径应不 片进水边正面 （ 压力分 布圃 靠近上冠处 、 叶片出 伸 。因此 ， ａ ｒ 水边 正面的 中部 、 出水边 背面靠近上冠 处 、 小于 ６ ｍ，裂纹清理过程 中如发现纹路有新 的 叶片 叶片与下环连接 区等部位 ，由于 透照布置 比较 的发展趋势应停 止清理 ， 加止裂孔 ， 再追 一般孔 困难 ， 不能用射线透照法进行无损探伤 。 根据水 深应 比裂纹深度大 ４ ６ ｍ －ｍ 。 轮机转轮叶片表 面比较粗糙 、结构复杂 和厚度 ４ ． ２裂纹清理及开坡 口 变化 大的特点 ， 一般应 采用渗 透 、 磁粉 、 超声 波 裂纹铲 除常用 两种方 法 ： 风铲和炭弧气刨。 和金属磁记 的方法进行无损检测。 风铲铲 除裂 纹所形成的坡 口较规则 ，易于保证 ３１超声波检测 ． 焊接 质量 ， 劳动强度 大 ， 但 速度 慢 ， 铲头 可根据 超声波探伤方法对裂纹 、 未熔合等 面积 型 裂纹 深度的不同而选用 ，坡 口要求规则平 滑并 缺陷 的检 出率 较高 ， 宜检验较大厚度 的工件 ， 用 ３％ 的硫酸或硝酸酒精清洗 ； 适 ０ 炭弧气刨 可对 但是对 于铸钢 、 氏体 不锈钢材 ， 奥 由于粗 大晶粒 较深 的裂纹 进行多次吹割 ， 这种方法操作 简便 ， 的晶界会反射声 波 ， 幕上出现大量 的“ 在屏 草状 速度快 ， 口内往往 有渗碳层 ， 但坡 要用异型砂轮 回波” 容易 与缺陷波混 淆 ，影响检测可 靠性 ， 磨削 。 ， 为了防止过热 引起变形 和裂纹扩展 ， 炭弧 限制 了超声波 探伤方法在铸钢制水轮机 转子叶 气刨 必须间断使用 。坡 口的形式应遵守焊 接工 片上无损检测 的应用 。 探测频率越高 ， 杂波就越 艺的一般要求 ，主要 根据裂纹情况 、 部位 和铲 显著 ， 为了减小 晶界反 射波的影响 ， 我们采用 了 除及施 焊方 便而定。裂纹清除后应进行着 色探 低频探头（５ ｚ ２ ＭＨ） ． ￣ 转子进行超声 波探伤 ， 伤 以确认裂纹是否全部清除干净 。 发现反射信 号以后再用高 频探头（ ｚ Ｓ ） 定 ＭＨ 进行 ４ ． ３补焊工艺 量 ， 证明这是可行 的。 实践 铸钢件超声波探伤衰 叶片补焊可采用 两种 方法 ， 是同种材料 一 减很大 ， 探伤时 只有满 足以下条件才 能检 测 ， 则 热焊 ， 方法工艺较 复杂 ， 这种 要进行焊前 预热 和 底波与林状 回波至少应有 ３ 分贝差。 Ｏ 焊后 热处理 ， 接条件较恶劣 ， 焊 但是 由于补 焊焊 ３ ２渗透探 伤 缝 的填充材料和被补焊母材基本一 致 ， 因此 ， 在 渗透探伤方法简单易行 ， 直观 ， 于 使用 过程中出现问题 的可能性较小 ；另一 种是 显示 适合 大型和不规则 工件 的检查和现场检修检 查。但 奥氏体焊条进行冷焊 。 冷补焊 工艺简单 ， 生产周 是 ，渗透探伤方法是利用 渗透能力强的彩色 渗 期短 。 补焊焊接过程 中不发生相变 ， 冷 且焊缝的 透液渗入到裂纹 等缺陷的缝隙 中，再利用 吸附 塑性较 好。因此 ， 案可不预热 ， 该方 简化 了补焊 能力强 的白色显像 剂 ， 渗透液吸 出来 以显示 工艺 ， 了铸 钢件受到大的热作用 ， 将 避免 从而减小 缺陷的 ，因此 ， 只能检查表面开 口的缺陷。 了被 焊件的应 力和变形 。奥 氏体焊条冷焊 工艺 ３ － ３磁粉探 伤 简单 ， 但是补焊 金属强度低于母材 ， 由于不预 且 磁粉探伤方法是利用工件磁化后 ， 在材料 热冷焊 ， 区的冷却 速度较大 ， 近缝 不可避免在补 中的不连续部位（ 包括缺陷造成 的不连续 性和结 焊 的近缝 区产生淬硬组织 ，给补焊接头 的性能 构、 形状 、 等原 因造成 的不 连续性） 材质 ， 磁力 线 带来不利影响 。 会发生畸变 ，部分磁 力线有可能逸 出材料表 面 ４ ． 冷焊工艺 ．１ ３ 形成漏磁场 ， 这时在工件上撒上 磁粉 ， 漏磁场 就 裂纹确认清除 干净 、 开坡 口 ， 后 按下列顺序 会 吸附磁粉 ， 形成与缺 陷形状 相近的磁粉堆 积 ， 进行补焊 ： 从而显示缺陷。 因此 ， 粉探伤适 用于铁磁材料 磁 ａ 补焊 区域进行 预热 ， ） 对 预热温度 为 １０ ０ 探伤 ， 可以检出表面和 近表面缺陷 ， 但是有些部 １０Ｃ ， ｑ 对挖补 区域可采用局部 加热 ， ５ 可用履带 位由于难以磁 化而无 法探 伤。 加热器进行 加热 ， 履带加热器 ， 若无 也可用 乙炔 综 上 所述 ，为 了保 证水 电机 组 的安 全运 焰在坡 口处来 回移动加热。 行 ， 到各种探伤 的优 点和局限性 ， 考虑 水轮机转 ｂ Ａ３７ ） ． 焊条进 行补焊 ， 用 ０ �
水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施
水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施水轮机转轮裂纹缺陷是水电站普遍存在的问题，严重影响着机组整体的安全运行，因而对此类缺陷的检查和处理工作是水电厂的重要工作。
为了有效控制和减少转轮叶片裂纹，对裂纹产生的原因进行正确的诊断，并积极采取一些有针对性的预防措施，以避免该问题的发生，有利于确保水轮发电机组的安全、可靠、经济运行。
本文就水轮机转轮叶片裂纹成因及处理措施进行简单的阐述。
标签：水轮机转轮叶片；裂纹成因；处理措施水轮发电机组在运行中，由于工艺、水力因素等原因，转轮叶片很容易产生裂纹甚至断裂，导致的结果是机组的寿命减小，停机检修时间长，电站的经济损失也相应增大。
因此，确保转轮的性能满足要求，是机组设计的关键。
1工程概况新安江水电厂装设8台9.5万kW和1台9万kW的混流式机组，总装机容量为85万kW。
新安江水电厂是1座综合型电站，兼顾发电、防汛为一体。
1号机组发电机型号为TS854/156-40，水轮机型号为HLS66.46-LJ-410，额定流量135m3/s，转轮直径 4.1m。
水轮机转轮有13个叶片，转轮叶片的材料为ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢，真空精密铸造。
机组最大水头85.4m，设计水头73m，最小水头59.96m，额定转速为59.96r/min。
1号机组于1960年并网发电，并于2002年3月至10月进行增容改造大修后投入运行。
2013年3月，在1号机进行B级大修期间，检修人员对1号机组的转轮叶片进行了超声波探伤检查。
探伤结果显示，1号转轮叶片背部有一条长为115mm，宽为6mm，深度为3.5mm的裂纹；2号转轮叶片出水边根部有一条长为85mm，宽为4.1mm，深度为1.9mm的裂纹；4号转轮叶片出水边根部有一条长为80mm，宽为4.3mm，深度为1.4mm的裂纹和一条长为92mm，宽为3.6mm，深度为2.8mm 的裂纹，上述裂纹都对转轮叶片安全运行造成较大的危害，严重影响机组的安全、稳定运行。
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析及处理(正式)
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1机组参数
白山发电厂位于吉林省桦甸市境内,是“一厂两坝三站”的大型水力发电厂,也是东北电网中最大的水电厂,在电网中担负调峰、调频和事故备用。
该厂总装机容量1700ＭＷ,其中白山右岸电站900ＭＷ(3×300ＭＷ),白山左岸电站600ＭＷ(2×300ＭＷ),红石电站200ＭＷ(4×50ＭＷ)。
红石电站发电机组为立轴半伞式,水轮机转轮叶片材质是ＺＧｏＣｒ13Ｎｉ4Ｍｏ,型号为ＺＤ190-ＬＨ-600。
其参数为:最高水头256ｍ;最低水头228ｍ;额定转速1071ｒ/ｍｉｎ;额定功率5155ＭＷ;设计水头233ｍ;设计流量251ｍ3/ｓ;飞逸转速240ｒ/ｍｉｎ;吸出高度-4ｍ;最高效率91%;叶片安放角8°;叶片数5;水轮机转速上升率50%;蜗壳
最大水压值04ＭＰａ;叶片法兰直径1100ｍｍ;叶片法兰端面中心距800ｍｍ;叶片法兰把合螺钉分布圆直径ｄ=850ｍｍ。
1996年红石电站3号机组在扩大性大修中,检查发现转轮5个叶片存在不同程度的裂纹。
2裂纹发生的部位和特征用渗透探伤法对转轮裂纹进行检查,发现叶片裂纹情况较为严重,裂纹发生的部位均在叶片的根部(包括叶片正面和背面)和叶片正面的出水边处。
3.裂纹产生的原因分析定桨叶片与转桨叶片运行工况比较,定桨叶片在非最优工况下运行的情况多,这样会导致叶片周围水流分布不均,引起涡流带压力脉动对叶片的频繁作用。
当水压脉动频率和机组转频接近或相同时则出现共振,会加速叶片裂纹的产生。
动水压力过大时相对降低了叶片的刚度,也会产生纵向裂纹。
由于轴流式水轮机转轮叶片为悬臂受力,叶片变截面根部若无过渡圆弧或过渡量小易产生应力集中而出
现裂纹。
通过对3号机叶片的检查,根部和出水边产生裂纹的重要原因之一是应力集中。
为了校核机组叶片在运行中的强度,电厂与制造厂家协作,进行了转轮叶片强度理论计算。
通过对红石轴流定桨式转轮叶片各工况下的受力大小比较,其中,在额定转速最大水头工况下计算出的最大应力σｍａｘ=115ＭＰａ,是出现在叶片正面出水边一侧与根部法兰连接处。
重力、离心力和水压力3种载荷联合作用下叶片的应力分布情况见图2。
3种载荷作用下叶片的变形见图3。
转轮叶片最大变形出现在叶片出水边外侧,ｕｍａｘ=219ｍｍ。
重力、离心力、水压力分别作用及这3种载荷联合作用的4种工况下叶片的最大动应力σｍａｘ和最大变形ｕｍａｘ见表1。
从表1可以看出:水压力是叶片所受载荷中的最主要载荷,3种载荷同时作用时比水压力单独作用的最大应力稍有下降。
机组运转时,叶片的最大应力σｍａｘ=115ＭＰａ,出现应力大的部位易产生裂纹,这与各叶片实际裂纹集中出现的位置相一致。
另外,转轮叶片的材料为ＺＧ0Ｃｒ13Ｎｉ4Ｍ
ｏ不锈钢,这种材质的屈服极限为σｓ=665ＭＰａ,水中疲劳极限为σ-1=171ＭＰａ。
经过计算,转轮叶片最大应力σｍａｘ=115ＭＰａ虽然远低于材料的屈服极限,也低于疲劳极限,但这一应力是静应力,不包括动应力成分。
该机组是轴流定桨式,不象轴流转桨式那样在协联工况下运行,因此其动应力较大。
再加上机组振动较大,叶片实际存在的应力是比较大的。
由此可见,由于转轮叶片基本应力较高和轴流定桨式转轮叶片运行时的动应力较大,这将会使水轮机转轮叶片在受悬臂负荷的情况下转轮叶片根部应力集中,造成转轮叶片根部与法兰连接处(包括正面和背面)出现裂纹,转轮叶片正面出水边一侧也产生裂纹。
由于机组长期低负荷、超负荷或在工况不好的振动区运行,会使叶片在交变应力作用下产生裂缝或加剧裂纹的发展。
红石电站的定桨式机组投产后机组在空载和低负荷工况振动较大,空载工况严重时机组主轴法兰处摆度严重超标,高达4ｍｍ。
水轮机工作部位声响振动较大,经现场试验测得,水轮机在空载工况水流通过水轮机转轮流道
时,水流中产生了一个扰动频率596Ｈｚ正好接近机组轴系的一阶固有频率60Ｈｚ,因而出现了合拍现象,产生共振。
这些问题的存在促使了转轮叶片裂纹的产生。
通过以上的分析,认为红石电站3号机组转轮叶片裂纹产生的原因是:机组运行中的悬臂转轮叶片根部应力集中,叶片所受的基本应力较高,加之各种载荷的联合作用时的动应力较大,叶片所受交变动应力在共振工况下不断加剧,材料疲劳,致使转轮叶片产生裂纹。
4裂纹的处理对3号水轮机转轮叶片检查出的裂纹的部位、形状、长度及可能继续发展的方向进行了全面的分析,并采取针对性措施对叶片裂纹进行修复,在叶片修复时严格执行修复方案和遵守焊接工艺。
为加强叶片根部的强度,用堆焊的方法有意加大叶片正面出水边一侧与根部法兰连接的过度圆角的“Ｒ”值;为阻止裂纹的延伸,在裂纹的尾部钻止裂孔等措施进行全面处理。
（1）由于裂纹的尾部内应力接近材料的极限强度,在外力或热应力的影响下还会继续延伸。
因此,在清除
裂纹前需在裂纹的纹尾部位打止延孔截断裂纹,阻止裂纹的延伸。
钻直径为8ｍｍ的孔,一般孔深比裂纹深度大4～6ｍｍ。
(2)裂纹的铲除采用速度快、操作简便的碳弧气刨刨除裂纹的方法,防止因刨除裂纹时因温度影响原裂纹的延伸,应由止裂孔处向裂纹反方向清除裂纹,直到去除裂纹为止。
为了防止过热引起变形和裂纹扩展,碳弧气刨必须间断使用。
同时开出补焊的坡口,坡口的形式主要根据裂纹情况、部位和铲除及施焊方便而定。
凡未穿透的裂纹,深度在30ｍｍ以内的可开“Ｖ”形坡口;深度在30ｍｍ以上的可开“Ｕ”形坡口;靠近根部的采用“Ｖ”形坡口。
凡穿透的裂纹,深度在40ｍｍ以内的可开“Ｘ”形坡口;靠近根部的开“Ｋ”形坡口;厚度在40ｍｍ以上的需开“Ｕ”形坡口;靠近根部的开“Ｋ”形坡口。
对坡口的表面渗碳氧化层用蘑菇头式砂轮机进行打磨,磨掉氧化层露出母材的金属光泽。
(3)为确保修复处的强度、刚度及材质的可焊性要求,施焊采用机械性能强、抗裂性好、塑性大的Ｇ367
Ｍ及奥237不锈钢焊条。
使用前必须要在350℃温度下烘干2ｈ,在100℃恒温下进行保温。
(4)为了减少补焊区的应力集中及改善焊缝的金相组织,特别是焊缝与基材过渡区的热影响,防止再次产生裂纹,在焊前对缺陷部位进行整体或局部预热。
采用履带式加热板在裂纹部位进行预热,温升速度以8～10℃/ｈ为宜,温度控制在80～120℃。
预热温度达到要求后再恒温2～4ｈ即可施焊。
施焊采用薄层、分段、退步焊接技术,长焊缝采取分段焊,每段长100～150ｍｍ,300ｍｍ以上者采取分段退步焊,300ｍｍ以下可由中间向外焊。
注意防止施焊修复过程中起弧和断弧产生裂纹。
为防止接头处平齐而影响焊缝质量,分段接头处应逐层搭接,正反面焊缝轮番施焊。
对深度在40ｍｍ以上的坡口,应使用双侧镶边焊技术;对深度在40ｍｍ以下和靠叶片根部的坡口则可用单侧镶边焊技术。
对穿透性裂纹应在其正面焊2～3道焊波后再在其背面用风铲铲除坡口底部的焊瘤,待露出新的焊波时再开始施焊。
裂纹堆焊中,底下几层最好用直径32ｍ
ｍ的电焊条并在保证焊透的情况下尽量采用小电流和短电弧(一般2～25ｍｍ),要求焊搭接宽度不小于焊链宽度的1/3,防止咬边与弧坑及弧坑裂纹的产生。
(5)采用锤击法消除焊接处的表面应力,并用砂轮打磨光滑,与叶片的型线一致。
5结语红石水电站3号机水轮机转轮叶片裂纹修复后,机组于1996年12月18日投入运行,经过机组调频、调峰的频繁起停及长时间的带满负荷运行,到1999年2月24日机组运行两年多后,大修检查中未发现有新的裂纹产生。
3号机水轮机转轮叶片的修复为机组安全可靠运行提供了保证,为红石水电厂安全文明生产、实现无人值班(少人值守)和创全国一流水电厂奠定了坚实的基础,并创造了可观的经济效益,同时也为我国水电机组出现同类问题的处理提供了宝贵的借鉴经验。
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