◎鄧竹林

（作者單位：湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司）

文章介紹了江埡水電站#1機組轉(zhuǎn)輪葉片異常裂紋和掉塊情況及初步原因分析，對分析水力發(fā)電機組同類型故障有借鑒作用。

一、設(shè)備概況

江埡水電站共裝三臺單機100MW的水輪發(fā)電機組，生產(chǎn)廠家為東方電機股份有限公司，#1機1999年5月投運，水輪機型號為HLD257-LJ-367.5，共有13塊葉片，轉(zhuǎn)輪重量44000kg，標稱直徑3675mm。水輪機轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)材料為ZG20SiMn，葉片采用具有良好抗氣蝕和焊接性能對的ZGOCr13Ni5Mo材料，轉(zhuǎn)輪采用整體方案。最大直徑4004mm，高度2371.25mm。轉(zhuǎn)輪和水輪機主軸采用螺栓連接，轉(zhuǎn)輪的上冠和下環(huán)設(shè)置熱套OCr13Ni5Mo不銹鋼的止漏環(huán)。轉(zhuǎn)輪上冠設(shè)置泄水孔，以減少對頂蓋的水壓力。轉(zhuǎn)輪泄水錐采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，所有流道尺寸滿足與模型尺寸幾何相似。

主要技術(shù)參數(shù)：

額定出力：102MW；最大水頭109.5m；

額定流量：141.68m3/s；最小水頭62.1m；

額定轉(zhuǎn)速：187.5r/min；額定水頭：80m；

飛逸轉(zhuǎn)速：375r/min；安裝高程：120.69m；

額定效率：91.92%；吸出高程-6m。

二、江埡水電站#1機組轉(zhuǎn)輪葉片歷次裂紋及掉塊情況

2000年至2019年以來，江埡水電站#1機組在14次停機檢修過程中共發(fā)現(xiàn)葉片掉落4塊、貫穿性裂紋32條、非貫穿性裂紋20條，其中最大掉塊為890mm×360mm，最大裂紋長度達600mm，最多一次發(fā)現(xiàn)有7塊葉片出現(xiàn)裂紋。每次由于處理葉片裂紋及掉塊導(dǎo)致檢修工期延長，影響了機組的經(jīng)濟運行時間，增加了檢修成本。同時葉片掉塊給機組安全運行帶來很大的威脅，可能造成重大安全事故。

三、裂紋及掉塊初步原因分析

水輪機轉(zhuǎn)輪在運行中，產(chǎn)生裂紋及掉塊的主要原因為東電生產(chǎn)的轉(zhuǎn)輪因高效率要求的設(shè)計及加工制造工藝的原因使葉片自身強度、剛度不夠，因機組長期在振動區(qū)運行受較大的水力振動影響導(dǎo)致葉片疲勞損傷。從#1機的機組在線監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)來看，機組自身振擺數(shù)據(jù)正常，對轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生不良振動無影響；主要存在問題為以下幾點：

1.鑄造水平及焊接工藝較差。江埡#1機水輪發(fā)電機組為1997年12月出廠，通過機組的檢修測量和現(xiàn)場處理得出的結(jié)論江埡機組轉(zhuǎn)輪加工制造工藝較差（無數(shù)控車床，全手工打磨），如江埡#1機轉(zhuǎn)輪葉片薄厚不均（以#1機#2葉片為例，測量出水邊六個不同的位置厚度分別是15mm、14mm、12mm、10mm、15mm、12mm），葉片型線也比較差。同時自投運以來，葉片出現(xiàn)裂縫共52條，葉片掉落4塊，每次焊接后都是人工手動打磨，無法完美的打磨出葉片型線，通過水輪機的水流狀況惡化，水力振動較為明顯，造成的破壞也相對加劇。

2.材質(zhì)問題。（1）江埡水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)輪采用的是ZGOCr13Ni5Mo材料，咨詢廠家和其他電廠，了解到此材料生產(chǎn)的多臺轉(zhuǎn)輪葉片在振動區(qū)運行都出現(xiàn)裂紋情況。（2）在轉(zhuǎn)輪葉片裂紋及掉塊檢修現(xiàn)場通過多次觀察發(fā)現(xiàn)裂縫斷面的材質(zhì)中有疑似夾渣現(xiàn)象，影響葉片的強度和剛度。（3）湖南省湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司所做的江埡水電站轉(zhuǎn)輪葉片理化檢驗報告中——①定量光譜分析報告結(jié)論：送檢樣品參照GB/T6967-2009《工程結(jié)構(gòu)用中、高強度不銹鋼鑄件》中ZG04Cr13Ni5Mo驗收合格。注：電廠提供牌號ZG0Cr13Ni5Mo未納入標準。②硬度試驗報告檢測結(jié)果：葉片不同區(qū)域表面硬度差異較大，葉片表面和芯部硬度差異較大。③金相檢驗報告檢驗結(jié)果：疑似夾雜物部位金相組織明顯分為兩個區(qū)域，黑色區(qū)域組織為馬氏體，白色區(qū)域為奧氏體+碳化物。④拉伸試驗報告：拉伸試驗樣品表面可見明顯鑄造缺陷，如孔洞，夾雜等。⑤掃描電鏡試驗報告：原材料中存在明顯夾雜，成分為鈦硅化合物。

3.不良的運行方式。江埡水電站機組自2007年以來一直參與湖南電網(wǎng)AGC調(diào)節(jié)，且振動區(qū)設(shè)定范圍偏小，只有5-10MW和30-40MW兩個狹小區(qū)間，遠遠小于試驗測出的機組振動區(qū)，機組負荷大范圍頻繁變化且長時間在振動區(qū)運行。由于混流式水輪機葉片不能調(diào)節(jié)，當(dāng)水頭或負荷偏離最優(yōu)工況較多時，必然會有水力不穩(wěn)定而使葉片承受動荷載，促使葉片裂紋產(chǎn)生。

四、預(yù)防措施

1.優(yōu)化運行方式。（1）運行值班人員積極聯(lián)系調(diào)度，使機組盡量避開在水力不穩(wěn)定葉片動載荷大的振動區(qū)域運行。（2）通過振動區(qū)劃分試驗數(shù)據(jù)報告，積極向電網(wǎng)調(diào)度部門溝通，設(shè)置合理的振動區(qū)，使機組避開振動區(qū)運行。

2.優(yōu)化水力設(shè)計。雖然現(xiàn)在的技術(shù)條件比較先進，混流式水輪機中的水流也比較穩(wěn)定，但是還不能夠準確預(yù)測壓力脈動幅值與相應(yīng)運行區(qū)域，并且模型試驗結(jié)果和真機間依然沒有建立起具有實用價值的換算關(guān)系，所以要針對電站運行特征，合理選擇與優(yōu)化水輪機的參數(shù)和設(shè)計，并建立模型試驗來驗證最佳水力穩(wěn)定性。

3.重新設(shè)計制造更換轉(zhuǎn)輪。應(yīng)急處理措施可對掉塊或裂紋進行修復(fù)焊接，再由人工手動打磨葉片型線后投入運行，這種處理方式受現(xiàn)場工藝所限，無法根本解決轉(zhuǎn)輪制造工藝及原始材質(zhì)的根本性問題。要從根本上解決轉(zhuǎn)輪自身問題，應(yīng)重新設(shè)計轉(zhuǎn)輪，優(yōu)選材料制造安裝，同時根據(jù)新轉(zhuǎn)輪運行模式設(shè)置振動區(qū)，使機組避開振動區(qū)運行。

五、轉(zhuǎn)輪葉片掉塊及裂紋部分圖片

4號葉片掉塊

7號葉片掉塊

葉片裂紋

葉片掉塊處理過程中