戴旭東，樊 湖，李 勇，夏海洋，何 海，冉曉波，李金偉

（1. 重慶酉水水電開發(fā)有限公司，重慶409809；2. 中國水利水電科學研究院，北京100048）

1 概述

重慶酉水酉酬水電站位于沅水支流酉水的上游，壩址位于重慶市酉陽縣東部酉酬鎮(zhèn)，距酉酬大橋上游約200 m處，距酉陽縣城73 km。電站安裝2臺60 MW混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量120 MW。年發(fā)電量3.92億kW·h，回水長度51.29 km。電站為季調(diào)節(jié)水庫，以發(fā)電為主，兼有改善庫區(qū)航運、發(fā)展旅游等綜合功能。

2臺機組先后于2008年底、2009年初投入運行，截止2017年底，已累計發(fā)電313 930.37萬kW·h。自2015年以來，2臺機組轉(zhuǎn)輪不同程度地出現(xiàn)裂紋，部分葉片呈貫穿性裂紋，盡管電站商請設備制造廠家浙江富春江水電設備有限公司對產(chǎn)生的裂紋進行了修復，但2018年初檢查發(fā)現(xiàn)，2號機組轉(zhuǎn)輪14個葉片有13個葉片均出現(xiàn)了裂紋，最嚴重的葉片裂紋長940 mm，呈貫穿性。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋概況

2臺機組均為浙江富春江水電設備有限公司設計和制造，轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)的材質(zhì)均為ZG06Cr16Ni5Mo。

2016年1月，在對2臺機組轉(zhuǎn)輪進行檢查時發(fā)現(xiàn)，1號機組轉(zhuǎn)輪葉片有1條明顯的裂紋，2號機組轉(zhuǎn)輪葉片有2條明顯的裂紋，最長達27 cm，均出現(xiàn)在葉片進水邊靠上冠處，如圖1所示。經(jīng)電站方要求，浙江富春江水電設備有限公司安排技術工程師到現(xiàn)場對葉片裂紋進行了冷焊處理，采用CO2氣體保護電弧焊工藝。1號機組轉(zhuǎn)輪此后再無出現(xiàn)裂紋。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2017年2月，運行1年后，酉酬水電站2號機組轉(zhuǎn)輪葉片再次出現(xiàn)裂紋，在上冠和葉片焊縫附近靠葉片一側(cè)發(fā)現(xiàn)一條貫穿性裂紋，如圖2所示。

圖2 2號機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2018年2月，2號機組在檢修過程中發(fā)現(xiàn)有2個葉片出現(xiàn)裂紋，其中14號葉片裂紋呈現(xiàn)貫穿性，9號葉片裂紋較長（2片葉片均已處理過）。為確保電站機組長期安全穩(wěn)定運行，電站方委托浙江富春江水電設備有限公司安排技術工程師到現(xiàn)場對轉(zhuǎn)輪進行全方位的無損探傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除2號葉片完好，其他葉片均存在不同程度的裂紋，而后現(xiàn)場工程師對葉片出現(xiàn)的裂紋進行了修復處理。

2019年1月，2號機組進行例行檢修，14個葉片均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

與大多數(shù)混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋不同，酉酬水電站2號機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)在進水邊與上冠聯(lián)接處。

3 裂紋原因分析

查閱大量的文獻可知，近些年混流式水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋屢見不鮮，國內(nèi)如三峽、天生橋一級、劉家峽、巖灘、李家峽、二灘、漫灣、五強溪等水電站[1-5]，國外如美國大古力、巴基斯坦塔貝拉、美國CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原蘇聯(lián)布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克、俄羅斯薩揚舒申斯克、緬甸太平江等水電站[5-6]均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪裂紋，嚴重影響了電站的經(jīng)濟效益，對設備安全運行帶來重大隱患。

3.1 材質(zhì)

2號機組轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)的材質(zhì)為ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼，采用電爐冶煉，砂型鑄造。該鋼是在Cr13馬氏體不銹鋼的基礎上，通過大幅度降低含碳量，同時將鎳的含量控制在4%到6%范圍內(nèi)，并加入少量的合金元素Mo而形成的。該鋼除具有一定的耐腐蝕性能外，還有良好的強度、韌性、可焊性以及耐磨性。

轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)在出廠時均經(jīng)過檢驗，質(zhì)量是合格的。

3.2 焊接工藝

轉(zhuǎn)輪的焊接工藝尤其是焊完葉片與上冠、下環(huán)處的殘余應力，對葉片裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的影響。2016、2017、2018連續(xù)3年的焊接工藝基本相同，是遵照現(xiàn)行焊接標準制定的，在操作細節(jié)上或許有所差異，但不應成為葉片出現(xiàn)裂紋的關鍵因素。

3.3 2號機組穩(wěn)定性試驗

（1）測點布置及試驗設備

為掌握2號機組發(fā)電工況下的運行狀態(tài)，分析其對葉片裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的影響，在3個水頭工況下開展了變負荷試驗。試驗測點如下：

1）擺度：下導和水導的+X、+Y方向各布置1個測點；

2）振動：上機架、下機架以及頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1個測點；

3）壓力脈動：蝸殼進口、無葉區(qū)以及尾水錐管進口各布置1個測點。

擺度傳感器：TR81系列電渦流位移傳感器，4～20 mA 輸出，量程4 mm，探頭長度50 mm，標準靈敏度4.00 mA/mm，非線性度0.8%，靈敏度偏差1.2%。

振動傳感器：DPS-0.5-8系列低頻位移輸出振動傳感器，靈敏度為8 V/mm，量程1 mm，頻率響應0.5～200 Hz，信號范圍 2～10 V。

壓力脈動傳感器：MPM480型壓阻式壓力變送器，供電電源24 V，輸出4～20 mA電流信號，精度0.25%。

測試儀：HT6000水輪發(fā)電機組狀態(tài)檢測與評估系統(tǒng)。

采樣頻率：1 kHz。

（2）靜水頭46.27 m時試驗數(shù)據(jù)

上游水位335.14 m，下游水位288.87 m，靜水頭46.27 m。

根據(jù) GB/T 11348.5-2008/ISO 7919-5：2005《旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》[7]：將水導擺度分為A區(qū)（標示，125 r/min 對應的分區(qū)值為 0～158.2 μm）、B 區(qū)（標示，對應的分區(qū)值 158.2～260.0 μm）、C 區(qū)（標示，對應的分區(qū)值260.0～525 μm）、D區(qū)（標示）。

表1 擺度峰峰值

由表1可以看出：2號機組在46.27 m靜水頭發(fā)電工況下運行時，水導擺度位于A區(qū)或B區(qū)，可無限制地長期運行，同時也可分析出機組負荷為25.50～36.00 MW（42.50%～60.00%滿負荷）時，尾水管出現(xiàn)螺旋狀渦帶。

根 據(jù) GB/T 6075.5-2002 idt ISO 10816-5：2000《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》[8]，將頂蓋徑向振動分為A區(qū)（標示，對應的分區(qū)值為 0～30 μm）、B區(qū)（標示，對應的分區(qū)值 30～50 μm）、C 區(qū)（標示，對應的分區(qū)值 50～80 μm）、D 區(qū)（標示）。

表2 頂蓋振動峰峰值

由表2可以看出：頂蓋+Y向振動較+X向振動大，機組在渦帶工況區(qū)（25.50～36.00 MW）運行時，頂蓋徑向振動峰峰值位于C區(qū)，機組不宜長期持續(xù)運行。值得關注的是機組滿負荷工況運行時，頂蓋+Y向振動出現(xiàn)一個突變，且頂蓋垂直振動自30.00 MW后隨著負荷的增大而增大（導葉開度增大而增大），具體原因需要深入分析。

（3）靜水頭39.03 m時試驗數(shù)據(jù)

上游水位328.14 m，下游水位289.11 m，靜水頭39.03 m。

表3 擺度峰峰值

由表3可以看出：2號機組在39.03 m靜水頭發(fā)電工況下運行時，水導擺度位于A區(qū)或B區(qū)，可無限制地長期運行，同時也可分析出機組負荷為18.71～30.30 MW（38.11%～61.71%滿負荷）時，尾水管出現(xiàn)螺旋狀渦帶。

由表4可以看出：頂蓋+Y向振動較+X向振動大，機組在渦帶工況區(qū)（23.70 MW）運行時，頂蓋徑向振動峰峰值位于C區(qū)，機組不宜長期持續(xù)運行。值得關注的是機組滿負荷工況運行時，頂蓋+Y向振動出現(xiàn)一個突變，且頂蓋垂直振動自23.70 MW后隨著負荷的增大而增大，具體原因需要深入分析。

表4 頂蓋振動峰峰值

3.4 2號機組歷年運行水頭和運行平均負荷分析

由表5可以看出：2號機組自2015以來，運行平均水頭在43 m以上，運行平均負荷約54 MW（90%滿負荷），可以看出機組常年運行在相對比較穩(wěn)定的負荷工況區(qū)，但引起頂蓋垂直振動偏大的水力激振力是造成轉(zhuǎn)輪葉片頻繁出現(xiàn)裂紋的重要原因。

表5 2號機組運行參數(shù)統(tǒng)計

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）根據(jù)2016年、2017年、2018年連續(xù)3年對2號機組轉(zhuǎn)輪裂紋的處理，以及1號機組自2016年后再未出現(xiàn)過轉(zhuǎn)輪裂紋的情況，可以判斷出2臺機組轉(zhuǎn)輪的制造和修復質(zhì)量有所差異，也間接證明2臺轉(zhuǎn)輪在出廠時存在瑕疵。

（2）2號機組基本運行在水力狀況相對良好的90%額定負荷工況，常規(guī)水力因素對轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生影響較小。但此時頂蓋垂直振動較大，導致頂蓋垂直振動的水力激振力對葉片裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展有較大的影響。

4.2 建議

進一步開展頂蓋垂直振動偏大的試驗和原因分析，在日常巡檢過程中重點檢查頂蓋與座環(huán)聯(lián)結(jié)螺栓是否有松動跡象。