馬劍瀅

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

混流式機組轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及解決辦法

馬劍瀅

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

通過對某水電站機組轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因分析，找出了解決辦法，達到了較好效果，并對同類型機組提出了應(yīng)注意的問題和預防措施。

混流式機組；轉(zhuǎn)輪；裂紋；處理

1 概述

水電站工程位于甘肅省迭部縣花園鄉(xiāng)東約0.3 km的益高村附近，距迭部縣城約75km。廠房內(nèi)安裝3臺單機容量20MW立軸混流式水輪發(fā)電機組。多年平均發(fā)電量為24705萬kW·h，年利用小時4118h。

3臺機組相繼于2013年2月、4月和5月投產(chǎn)發(fā)電，3號機組最晚投產(chǎn)發(fā)電。在2014年機組檢修過程中發(fā)現(xiàn)1號機組、3號機組轉(zhuǎn)輪存在裂紋，且3號機組有兩條貫穿性裂紋，長度達到650 mm，后經(jīng)過返廠處理，安裝后目前運行穩(wěn)定。本文就轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因以及處理方法做一詳細的闡述，供大家學習交流。

2 機組參數(shù)

最大水頭 65.45 m

加權(quán)平均水頭 61.78 m

額定水頭 59 m

最小水頭 54.6 m

極端最小水頭 46.14 m

多年平均含沙量 0.633 kg/m3

多年平均懸移質(zhì)輸沙量 11.9×104t

水輪機型號 HLX240-LJ-220

額定出力 21 MW

最大出力 24.0 MW

額定轉(zhuǎn)速 272.7 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 530 r/min

額定流量 38.47 m3/s

最大流量 45.45 m3/s

額定點效率 94.4%

最大效率 95.22%

機組旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時針

軸向水推力 最大水頭65.45 m時，最大水推力為110 t。

3 現(xiàn)象描述

2013～2014年年度設(shè)備檢修時未發(fā)現(xiàn)異常，2014～2015年年度檢修時發(fā)現(xiàn)3號轉(zhuǎn)輪2個葉片出水邊與下環(huán)焊接部位出現(xiàn)650 mm、700 mm長的貫穿性裂紋。后經(jīng)仔細檢查在轉(zhuǎn)輪的13個葉片中除7號葉片外，其余葉片均存在裂紋，長度從20mm到200 mm不等。詳見表1、圖1。

表1 各葉片裂紋長度

從表1及圖1中可見轉(zhuǎn)輪裂紋數(shù)量之多、裂紋之長在近年來都是罕見的。

1號葉片及13號葉片裂紋見圖2及圖3所示：

圖1 轉(zhuǎn)輪

圖2 1號葉片裂紋

圖3 13號葉片裂紋

13號葉片的裂紋從出水邊根部延伸至葉片中部位置，幾乎貫穿整個葉片，從圖2、圖3看出裂紋位置位于葉片出水邊與下環(huán)連接根部部位，在焊縫的熱影響區(qū)域內(nèi)。

4 原因分析

為解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題，筆者從應(yīng)力分析、生產(chǎn)制造、安裝運行等方面對轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因進行分析。從而提出解決問題的方法措施。

4.1 應(yīng)力分析

從花園電站轉(zhuǎn)輪計算結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)輪在各種工況下應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在葉片出水邊與下環(huán)連接根部位置，最大應(yīng)力值達到204.8MPa。此計算結(jié)果顯示的最大應(yīng)力位置與轉(zhuǎn)輪發(fā)生裂紋的部位相吻合。

圖4 轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格劃分

圖5 轉(zhuǎn)輪葉片計算模型

圖6 轉(zhuǎn)輪葉片計算結(jié)果

4.2 選型方面

從圖7可以看出，機組在選型之初，過分追求超負荷能力，而忽略了低負荷運行區(qū)域的穩(wěn)定性能。

圖7 模型特性曲線

4.3 焊接原因

圖8看出在轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)焊接根部存在氣孔現(xiàn)象；圖9顯示焊角處存在頸縮現(xiàn)象，并且過渡圓角過小，未能達到設(shè)計要求。

圖8 轉(zhuǎn)輪葉片根部氣孔

圖9 轉(zhuǎn)輪葉片出水片與下環(huán)焊接部位焊角

4.4 制造、安裝原因

在準備檢修轉(zhuǎn)輪，分解機組的過程中，發(fā)現(xiàn)上導、下導軸承間隙均超標，下導總間隙由安裝時的0.35 mm，增加到0.79～1.11 mm不等。遠遠超出設(shè)計要求。

在檢查中還發(fā)現(xiàn)下導軸瓦瓦托于支柱螺栓接觸部位出現(xiàn)裂紋。如圖10所示。

圖10 下導軸瓦瓦托裂紋

4.5 主要原因

通過以上4項內(nèi)容，綜合分析轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因主要有4方面：

1）機組選型不當，過分追求機組的超發(fā)能力，而忽略了機組在額定工況以外運行區(qū)域的穩(wěn)定范圍，導致機組在低負荷運行區(qū)域運行時，轉(zhuǎn)輪應(yīng)力過大，機組存在安全隱患。

2）轉(zhuǎn)輪在設(shè)計階段已經(jīng)測算出最大應(yīng)力在葉片出水邊與下環(huán)連接部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時未針對性的采取降低應(yīng)力有效措施，導致最大應(yīng)力點始終存在于葉片出水邊與下環(huán)連接部位的薄弱環(huán)節(jié)。

3）轉(zhuǎn)輪焊接階段，對焊接質(zhì)量把控不嚴，在焊縫處出現(xiàn)氣孔，以及縮頸現(xiàn)象，加劇應(yīng)力集中。

4）下導軸瓦瓦托設(shè)計不合理，與頂瓦支柱螺栓接觸的部位厚度只有5 mm，無法承載軸瓦受力，在運行時發(fā)生斷裂，導致導瓦間隙變大，使得機組運行時振動、擺度值加大，加劇轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生。

5 處理方法

5.1 方案確定

處理方案有兩種：1）新加工一臺轉(zhuǎn)輪替換有裂紋的轉(zhuǎn)輪；2）修復原有轉(zhuǎn)輪繼續(xù)使用。

綜合上述兩種處理方案，為不影響現(xiàn)場發(fā)電，減少損失，最終選擇將舊轉(zhuǎn)輪進行修復后暫時解決今年汛期發(fā)電問題，然后投制一臺新轉(zhuǎn)輪，在檢修期間進行更換。

5.2 修復轉(zhuǎn)輪的工藝方案

基于轉(zhuǎn)輪裂紋長度大以及裂紋數(shù)量多的特征，研制修復方案采取以下措施：

1）在裂紋頭部鉆止裂孔，孔徑不小于6 mm。2）開設(shè)焊接坡口、并打磨至要求，防止焊接時葉片開裂。

3）在葉片出水邊與下環(huán)連接處、葉片出水邊與上冠連接處增加三角型筋板，以降低此處應(yīng)力提高抗裂紋能力。

4）采取焊后退火的措施，消除焊接應(yīng)力。

5.3 防止轉(zhuǎn)輪裂紋再次發(fā)生采取的措施

1）降低轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力。采取在應(yīng)力集中部位增加三角型筋板的方式，改善葉片受力情況和降低容易發(fā)生裂紋部位的應(yīng)力。

2）提高安裝精度。在轉(zhuǎn)輪修理完成后，機組回裝階段，嚴格控制安裝質(zhì)量，將機組軸線調(diào)整至優(yōu)良范圍內(nèi)。

3）增加下導瓦托的強度。將瓦托原來的厚度由5 mm增加至8 mm，重新加工8套瓦托。

4）改善機組運行范圍。將機組運行范圍限定在1萬～2萬kW之間，避免在低負荷、以及振動區(qū)域運行。

通過采取以上措施，機組于2015年1月28日并網(wǎng)發(fā)電，機組運行良好。

6 結(jié)語

轉(zhuǎn)輪裂紋是在世界范圍內(nèi)廣泛存在的現(xiàn)象，裂紋產(chǎn)生的原因與多種因素有關(guān)，如：選型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、加工制造、焊接工藝、安裝調(diào)試、運行范圍等，每一個環(huán)節(jié)都密切相關(guān)，互相影響。轉(zhuǎn)輪裂紋嚴重影響電站的安全運行。在發(fā)生裂紋后需要準確分析原因，對癥及早處理。

轉(zhuǎn)輪處理后已經(jīng)使用一個汛期，經(jīng)過檢查再未發(fā)現(xiàn)裂紋，目前運行穩(wěn)定。實踐證明轉(zhuǎn)輪裂紋臨時處理的方法是得當?shù)?，但是要徹底解決轉(zhuǎn)輪裂紋問題，還需要從根本上杜絕裂紋產(chǎn)生的原因。從設(shè)計、選型階段就要綜合考量轉(zhuǎn)輪的性能，不單純追求高效率、高指標，把電站的長期安全、穩(wěn)定運行放在首要位置。

TV730.3

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1672-5387（2016）10-0054-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.016

2016-06-01

馬劍瀅（1974-），男，高級工程師，從事水電站機電設(shè)備檢修維護管理工作。