混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施

文章编号:055929342(2002)0520038204

混流式水轮机转轮裂纹

原因分析及预防措施

樊　世　英

(东方电机股份有限公司,四川德阳　618000)

关键词:混流式水轮机;转轮;叶片裂纹;预防措施;可靠性设计

摘　要:混流式水轮机转轮运行中出现的裂纹可分为规律性裂纹和非规律性裂纹。绝大多数的规律性裂纹是疲劳裂纹,其断口呈贝壳纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷,而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发,这可能是由卡门涡列、水力弹性振动或水压脉动所诱发。非规律性裂纹,有的呈龟裂纹,有的呈脆性断口,也有的呈疲劳贝壳纹,多半是由材料不良或制造缺陷造成。预防裂纹的措施,应从水力、结构设计,制造和运行等多方面入手。

如:优化水力参数,优选材料,进行静强度计算和疲劳分析、避开共振分析,采用成熟的焊接工艺,减小应力集中,优化运行等。对大型混流式水轮机转轮,应实施可靠性工程,切实抓好精心设计、精良制造、合理运行三大环节。

中图分类号:TK7301324;TK73311 文献标识码:B

水轮机转轮,尤其是中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象,在世界各地普遍存在。国外的例子有埃及的阿斯旺高坝、美国的大古力700MW机,俄罗斯的布拉茨克等。国内有岩滩、李家峡、小浪底、五强溪、二滩等大型水电站,在投运后水轮机转轮都不同程度的出现了裂纹。转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益,引起人们的极大关注。

1　转轮裂纹的产生原因

转轮为什么会产生裂纹,人们对此做过许多研究,不时地提出一些假设。笔者把转轮裂纹分为规律性裂纹和非规律性裂纹两类。规律性裂纹是指不同叶片上的裂纹具有大体一致的规律,所有叶片都开裂,裂纹的部位和走向也大致相同。非规律性裂纹或者只在个别叶片上发生,或者不同叶片上裂纹的部位、走向和其他特征各不相同。其产生的一般原因分述如下。

111　规律性裂纹

失效分析结果表明:绝大多数规律性裂纹是疲劳裂纹,断口呈现明显的贝壳纹。叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷,而交变载荷又由转轮的水力自激振动引发,这可能是卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动所诱发。

11111　卡门涡列

(1)黄坛口水电站1958年投运的4台H L3102LJ2230水轮机,运行不久转轮叶片出水边根部即发生总计67条裂纹。后来查明,在某些水头下,当机组出力在5～8MW时,叶片出水边卡门涡列频率与叶片自振频率耦合而引起共振,动应力急剧增加,使叶片疲劳开裂。采取修整叶片出水边厚度和形状,提高卡门涡列频率,避开了共振,转轮安全运行多年,再没有发生问题。

(2)小浪底水电站水头范围68～141m,额定出力306 MW。水轮机转轮上冠和下环为1325不锈钢铸件,叶片由1325不锈钢热模压后数控加工,再用309L奥氏体不锈钢焊丝焊成整体。由于是异种钢焊接,转轮焊后不进行消除应力处理。为适应电站水头变幅大和多泥沙的运行条件,水轮机供应商采取了低比转速,小的出口直径(D2/D1=0188),较大的导叶相对高度(b0/D1=01236),肥大的叶片头部,较厚的叶片出水边(δ=38mm),喷涂碳化钨和设置筒形阀等技术措施。结果在机组停机过程中,当导叶全关后,由于叶片出水边太厚,转轮中再循环水流所感生的卡门涡与叶片一、二阶弯曲自振频率耦合发生共振,引起巨大动应力并伴生异常声响。在机组大负荷工况下,叶片后的卡门涡列与叶片高阶(五阶)自振频率耦合而引发水轮机固定部件的振动和噪音,叶片上也产生较大动应力。将叶片出水边修薄到7mm后,上述两种现象均告消除。

11112　水力弹性振动

(1)小浪底水电站最先投运的6号水轮机累计运行1330 h后检查发现:13个叶片出水边近上冠处均发生贯穿性裂纹,裂纹向叶片一侧延伸,走向完全相同,呈不规则抛物线状。起裂点均在焊缝与叶片母材相交处的负压面上,裂纹

收稿日期:2002201214

作者简介:樊世英(1941—),男,陕西西安人,教授级高工,东方电机股份有限公司顾问1

长度不等,最长达500mm以上,部分叶片裂纹有分叉。随后投运的5号机仅经调试中的数十次开停机即告开裂,接着4、3号机也都没有幸免。

水轮机供应商实测了起动过程中叶片开裂部位的动应力,幅值达±280MPa,频率为12175H z。考虑转轮区域60%的水体质量,固定在推力轴承摩擦面上的轴系一阶扭转自振频率约为13H z。因而认为是发电机推力轴承的摩阻过大,轴系的弹性振动诱发了叶片上的高幅动应力。应设置高压油顶起装置减小轴承摩擦阻力来解决叶片裂纹问题。中国专家组认为:起动过程中,由于叶片头部过度肥大,在导叶小开度时的不稳定水流冲击下激起水力弹性振动,其主频恰与主轴一阶扭振重合,引起叶片的高幅动应力。应采取向导叶后补气,加快起动速度,加大起动开度,加强叶片根部以增加其抵抗外力的能力等措施。全面采取这些措施后,起动中的叶片动应力大大减小,加上出水边修薄后,停机过程中和大负荷下动应力剧减,问题得到解决。

(2)俄罗斯萨彦水电站实测数据:在起动后的8～10s,转轮叶片上的动应力处于100MPa的高水平。这是水力弹性振动引起叶片高幅动应力的又一实例。

(3)小浪底水电站对推力轴承静摩擦系数的多次实测表明,弹性金属塑料瓦的静摩擦系数随机组停置时间的增长有明显地加大趋势。因此,长时间停机(例如1周以上)后,再行起动前仍以顶起发电机转子为好。

11113　尾水管压力脉动

水轮机部分工况下,尾水管中有涡带产生。涡带运动干扰水流而引起脉动压力,这种脉动还可能因涡带空腔与水体共振而增强。尾水管压力脉动能以某种形态传递到转轮叶片上,转轮流道内还可能作用着水流脱流造成的脉动压力,并直接作用在叶片上。显然,这些脉动压力将引起叶片的交变应力。萨彦水电站水轮机在196m水头,200～500MW负荷范围内,叶片出水边近上冠处动应力峰值达35MPa(±1715MPa),相当于最大出力下静应力130MPa的1315%。另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部分工况下,动应力达最大静应力的15%。可见尾水管压力脉动能引起一定幅值的交变应力,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。

11114　其他水力诱发因素

(1)转轮旋转时,叶片相对导叶的位置不断变化,引起转轮叶片上的环量改变。因此,作用在叶片上的力周期性地变化,形成频率为f g=knz g/60的动应力(k为正整数,n为水轮机额定转速,Z g为导叶数)。

(2)涡壳不对称引水导致沿转轮圆周压力场的不均匀而产生频率f s=kn/60的动应力。

(3)引水钢管或压力尾水渠中的水力振荡在转轮上引起的交变应力。

(4)导叶和转轮之间水体的压力脉动作用在叶片上的动应力。11115　规律性的制造原因

规律性的制造原因大多由错误的工艺方法造成。例如, 60年代中期某厂首批焊接转轮,由于工艺规定不严谨,叶片焊缝全部在头部和尾部起弧和熄弧,焊缝缺陷集中,运行中发展成规律性裂纹。后来改进了工艺,叶片头、尾部采取包头焊,错开起弧和熄弧点,问题得到解决。

112　非规律性裂纹

转轮非规律性裂纹有的呈网状龟裂纹,有的呈脆性断口,也有的呈疲劳贝壳纹。这类裂纹多数由材料不良或制造质量缺陷造成。

11211　材料

转轮材料与裂纹的萌生和发展密切相关。

(1)60～70年代,我国有多台转轮使用了ZG15MnM oVCu 低合金铸钢。该钢种对热处理温度极其敏感,工业大炉生产的产品其脆性转变温度很高,可焊性极差,用其制造的转轮普遍发生严重裂纹,并多次发生叶片断裂。例如,龚咀水电站3号机就曾发生过3个叶片突然断裂事故。

(2)密云水电站2号斜流水泵水轮机在一次事故中转轮叶片全部断裂,除其他因素外,叶片材料不良也是原因之一。11212　制造质量

转轮的制造缺陷也是引发非规律性裂纹的重要原因。

(1)江垭水电站第1台水轮机运行一年后,1个叶片出水边中部发生多条裂纹,并伴有局部脱落。经分析主要原因是铸造质量不良所致。

(2)不少水电站转轮裂纹都从铸造缺陷处起裂,也有从严重焊缝缺陷或焊接延迟裂纹处开裂的例子。

(3)其他制造缺陷诸如:叶片形线差,表面粗糙,出水边高应力区出现不应有的尖棱,叶片与上冠、下环相交的过度圆角过小,或存在严重的铲磨缩头等,都可能促使转轮裂纹生成。

此外还有制造缺陷和水力激振的联合作用。

113　不良的运行方式是裂纹产生的催化剂

混流式水轮机叶片安放角不能调节,当水头或负荷偏离最优工况较多时,必然因有水力不稳定而使叶片承受较大动荷载,促使叶片裂纹发生。因此,一方面要求开发水力性能优良,稳定运行范围尽可能宽阔的水轮机转轮;另一方面也要使机组尽量避开在水力不稳定,叶片动载荷大的区域运行。

2　裂纹处理

(1)裂纹处理的关键是找出产生裂纹的根本原因,对症下药。非规律性的裂纹一般比较好分析。难的是规律性裂纹,究竟是哪些原因起主导作用。最有力的手段就是破坏部位的动应力测试。从应力频谱中分解出构成动应力主要分量的频率和幅值,进而跟踪查出相应的水力激振源。

(2)裂纹的焊补工艺非常重要。埃及阿斯旺高坝工程的12台混流式水轮机转轮曾发生过严重裂纹。原美国阿里斯查摩公司为其更换了其中6台。法国电力公司采用合理的