蘇艷意

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

混流式水輪機(jī)在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)輪葉片易產(chǎn)生裂紋，在中高比速混流式機(jī)組中這種現(xiàn)象更為常見。已投運(yùn)的國內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組，如巖灘、五強(qiáng)溪、美國大古力等大型水電站在機(jī)組投運(yùn)后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪均不同程度地出現(xiàn)了裂紋[1-4]。轉(zhuǎn)輪裂紋的出現(xiàn)嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，需高度重視。

某電站裝有3臺(tái)150 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)基本參數(shù)為：最大水頭86.2 m，額定水頭80 m，最小水頭75.3 m，轉(zhuǎn)輪直徑4.8 m，額定轉(zhuǎn)速142.9 r/min，額定出力153.06 MW，最大出力168.37 MW。該電站自投入運(yùn)行以后，隨著運(yùn)行時(shí)間的加長，3臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪均不同程度的出現(xiàn)裂紋，據(jù)統(tǒng)計(jì)從2013年至2017年期間，3臺(tái)機(jī)組累計(jì)出現(xiàn)裂紋共121條，其中貫穿性裂紋23條，裂紋長度最長達(dá)230 mm，且轉(zhuǎn)輪同一部位出現(xiàn)裂紋的次數(shù)較多，該電站轉(zhuǎn)輪葉片上冠貫穿性裂紋形貌圖見圖1。

由圖1可以看出，轉(zhuǎn)輪葉片裂紋連續(xù)幾年均發(fā)生于同一部位，其裂紋形態(tài)及擴(kuò)張趨勢(shì)基本一致，2016年圖中1葉片裂紋形貌由端角焊縫邊緣向內(nèi)呈樹枝狀擴(kuò)展；此外在該圖中裂紋修復(fù)部位附近伴有大大小小的氣孔缺陷，可以明顯看出，裂紋沿氣孔分布方向發(fā)展，氣孔逐步串聯(lián)，加速裂紋擴(kuò)張。

按一般經(jīng)驗(yàn)來說，混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋以后，若及時(shí)處理，理論上來說其數(shù)量和發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)呈現(xiàn)收斂的狀態(tài)，但隨著年份的增長，該電站轉(zhuǎn)輪發(fā)生裂紋的葉片數(shù)量呈上升趨勢(shì)，而裂紋發(fā)展趨勢(shì)和裂紋數(shù)量卻無一定的規(guī)律。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片上冠貫穿性裂紋形貌圖

1 裂紋原因

轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因是多種因素的疊加，其基本原因是葉片承受動(dòng)載荷的能力不足。根據(jù)裂紋的情況和特點(diǎn)進(jìn)行具體分析，找出導(dǎo)致裂紋發(fā)生和發(fā)展的直接原因，才能有效地采取相應(yīng)措施。

1.1 轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度分析

用Ansys軟件對(duì)葉片強(qiáng)度進(jìn)行分析，先進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)自由度的塊體單元，共劃分715單元，1 542個(gè)節(jié)點(diǎn)?？紤]兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算：最大水頭發(fā)最大出力工況和飛逸工況，其中最大水頭發(fā)最大出力工況包括水壓力、離心力和重力3種載荷；飛逸工況只有重力和離心力。最大水頭發(fā)最大出力，轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布見圖2，飛逸工況下轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布見圖3。

轉(zhuǎn)輪在各個(gè)工況下的應(yīng)力和變形計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 轉(zhuǎn)輪在最大水頭下的應(yīng)力分布圖

圖3 轉(zhuǎn)輪在飛逸工況下的應(yīng)力分布圖

表1 轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度分析計(jì)算結(jié)果表

剛強(qiáng)度分析計(jì)算表明：轉(zhuǎn)輪在最大水頭發(fā)最大出力工況下，其最大應(yīng)力僅為98.3 MPa，在飛逸工況，其最大應(yīng)力僅為113 MPa，均滿足合同要求。

由圖2和圖3應(yīng)力分布圖可知，轉(zhuǎn)輪的主要應(yīng)力區(qū)分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊，集中在葉片出水靠近上冠和下環(huán)處以及葉片出水邊正面的中部，這些部位在機(jī)組運(yùn)行中受力過大，易產(chǎn)生裂紋。

1.2 機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)

轉(zhuǎn)輪裂紋與機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有關(guān)，而穩(wěn)定性與機(jī)組運(yùn)行過程中壓力脈動(dòng)有關(guān)。根據(jù)該電站2016年和2017年水情信息實(shí)時(shí)記錄表中記錄的發(fā)電負(fù)荷、發(fā)電流量及水情系統(tǒng)測(cè)值等數(shù)據(jù)，可以得出機(jī)組全年每月每日每時(shí)的運(yùn)行工況點(diǎn)分布圖，見圖4。

圖4 電站2016、2017年機(jī)組運(yùn)行工況點(diǎn)分布圖

從圖4中可以看出：

1)在額定水頭80 m以下，機(jī)組運(yùn)行所帶負(fù)荷超過廠家保證的出力運(yùn)行范圍，存在不同程度的超出力運(yùn)行，此時(shí)蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)、錐管上游和下游的壓力脈動(dòng)等都會(huì)快速上升，壓力脈動(dòng)的增大使得機(jī)組振動(dòng)較大。水輪機(jī)運(yùn)行在振動(dòng)較大區(qū)間時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片承受的動(dòng)載荷較大，導(dǎo)致葉片焊縫內(nèi)部及熱影響區(qū)在機(jī)組運(yùn)行的離心力下產(chǎn)生裂紋甚至加快裂紋的蔓延。

2)機(jī)組在額定出力60%以下運(yùn)行的情況存在，且有一定的運(yùn)行時(shí)間?；炝魇綑C(jī)組振動(dòng)區(qū)在額定出力的20%～60%之間，機(jī)組在空載或小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，頂蓋水平和垂直振動(dòng)、蝸殼和尾水管壓力脈動(dòng)也升至最大。機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)間較長，這可能是發(fā)生疲勞裂紋的重要因素之一。圖5為該電站尾水管壓力脈動(dòng)隨著單位流量變化曲線。

圖5 錐管上、下游壓力脈動(dòng)曲線圖

從圖5可知：在空載或小負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)尾水管錐管上下游處壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)；在極端最大水頭40%～54%負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值最大值達(dá)到9.9%；額定水頭40%～45%負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值最大值達(dá)到9%；在極端最小水頭40%～66%負(fù)荷區(qū)域壓力脈動(dòng)幅值最大值為10.99%。由此可得，在空載或低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，該電站水輪機(jī)的穩(wěn)定性狀況最為惡劣，應(yīng)盡量避免在小負(fù)荷運(yùn)行。

1.3 焊接工藝分析

當(dāng)葉片出現(xiàn)裂紋后，現(xiàn)場(chǎng)采取了相應(yīng)的修補(bǔ)措施，雖然使機(jī)組相繼恢復(fù)了運(yùn)行，但一年以后有的葉片的相同或相近部位又出現(xiàn)了裂紋。

從葉片裂紋圖1可以看出，在靠近上冠下環(huán)的地方，葉片經(jīng)裂紋修復(fù)打磨以后的表面光順度較差，有明顯的棱存在，沒有很好的光順過渡，同時(shí)圖片中顯示葉片的表面粗糙度也不太理想，按照目前廠家設(shè)計(jì)要求，葉片進(jìn)出口區(qū)域表面粗糙度應(yīng)為Ra≤1.6 μm。葉片出水邊的光順度和粗糙度也可能是引起轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的原因之一，要避免因補(bǔ)焊或打磨不合格而再次產(chǎn)生裂紋。

2 裂紋處理

對(duì)以上水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的狀況及形成原因的進(jìn)行分析，提出具體的解決方案。

1)施加補(bǔ)強(qiáng)三角塊。根據(jù)轉(zhuǎn)輪具體尺寸和現(xiàn)有空間，在葉片出水邊和上冠、下環(huán)相交處增加三角塊。

根據(jù)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在葉片出水邊與上冠、下環(huán)相交處施加降應(yīng)力三角塊，無論是對(duì)轉(zhuǎn)輪的綜合性能還是對(duì)轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)特性，基本沒有影響。目前已實(shí)施的水電站包括景洪、龍頭石、巖灘擴(kuò)機(jī)等，效果良好。

2)提高修復(fù)質(zhì)量。葉片裂紋在修復(fù)補(bǔ)焊過程中，應(yīng)加強(qiáng)修復(fù)工藝，保證焊接質(zhì)量。例如：選取止裂性能好的焊條；在焊接的過程中嚴(yán)格控制溫度和及時(shí)消除焊接殘余應(yīng)力；焊接完成后進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力，并且進(jìn)行探傷檢查，避免同一部位再次產(chǎn)生裂紋；對(duì)于過流部件，焊接缺陷修復(fù)后應(yīng)進(jìn)行過流表面檢查，對(duì)于不圓順的部位采用表面堆焊、打磨的方式進(jìn)行處理，不允許存在應(yīng)力集中點(diǎn)，葉片過流表面不允許出現(xiàn)深度0.5 mm以上的凹坑、凸臺(tái)等，控制葉片表面的粗糙度和波浪度，提高葉片翼型的表面質(zhì)量。

3 結(jié) 語

中低水頭混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片開裂是普遍存在的問題，應(yīng)充分重視，一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪裂紋應(yīng)盡早對(duì)裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行正確的診斷并積極采取一些有針對(duì)性的預(yù)防措施，有利于防止裂紋的惡化和新裂紋的出現(xiàn)；在強(qiáng)化裂紋處理工藝與葉片設(shè)計(jì)改造的同時(shí)，通過機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)及機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，進(jìn)一步細(xì)化機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域，減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間。