張秉章；高建成

（青海黃河水電公司公伯峽發(fā)電分公司，海東810902）

0 引言

公伯峽水電站共安裝5 臺(tái)立軸混流式水輪機(jī)，型號(hào)為HLA801—LJ—580；轉(zhuǎn)輪為整體轉(zhuǎn)輪、鑄焊結(jié)構(gòu)，材料為全馬氏體不銹鋼，葉片采用真空精煉鑄造、數(shù)控加工，下環(huán)用鋼板卷焊。公伯峽水電站首臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組于2004 年投運(yùn)，投運(yùn)至今已有16 年時(shí)間，設(shè)備總體運(yùn)行情況良好，各機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)。

1 公伯峽水電站機(jī)組參數(shù)

1.1 水輪機(jī)基本參數(shù)

型號(hào)：HLA801-LJ-580；最大水頭：106.6m；設(shè)計(jì)水頭：99.3m；最小水頭：96.7m；額定流量：338.71m3/s；額定轉(zhuǎn)速：125r/min；額定功率：306MW。

1.2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)

型號(hào)：SF300.6-48/13200；額定容量：334000kVA；額定電壓：18000V；額定電流：10713A；功率因數(shù)：0.90；飛逸轉(zhuǎn)速：230r/min。

1.3 現(xiàn)狀介紹

近年來(lái)公伯峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組檢修中發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上冠、下環(huán)處均出現(xiàn)不同程度的裂紋。

2019 年 12 月 03 日，4 號(hào)機(jī)組 C 級(jí)檢修中檢查水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及尾水管湊合節(jié)時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有5 個(gè)葉片的出水邊上部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋，共計(jì)6 條，其中轉(zhuǎn)輪葉片有4 條為貫穿性裂紋，有2 條為淺表性裂紋；尤其是轉(zhuǎn)輪11#葉片裂紋較嚴(yán)重，貫穿性裂紋長(zhǎng)度達(dá)到430mm。附現(xiàn)場(chǎng)照片（圖1）。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片

2020 年 2 月 27 日，5 號(hào)機(jī)組 C 級(jí)檢修中檢查水輪機(jī)過(guò)流部件，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片探傷時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪有5 個(gè)葉片的出水邊上部均出現(xiàn)了不同程度的裂紋；尤其是轉(zhuǎn)輪2#、10#葉片裂紋在2018 年4 月份進(jìn)行的C 級(jí)檢修中也出現(xiàn)在相同部位的區(qū)域，其中2# 葉片貫穿性裂紋長(zhǎng)度達(dá)到110mm，并出現(xiàn)氣孔，附現(xiàn)場(chǎng)照片（圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)照片

通過(guò)分析2018、2019 年中8 個(gè)月份對(duì)5#機(jī)組承擔(dān)的出力分布情況，5#機(jī)組有很大一部分時(shí)間運(yùn)行在50MW以下，即轉(zhuǎn)輪長(zhǎng)期在0～40%Pr（Pr 為額定出力）工況運(yùn)行。水電機(jī)組的運(yùn)行工況不良是轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。近年由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化，機(jī)組在低負(fù)荷（40%Pr）以下運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，造成機(jī)組運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)時(shí)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，運(yùn)行工況對(duì)葉片產(chǎn)生裂紋的影響主要反映在不同水頭、不同負(fù)荷下，葉片承受的動(dòng)載荷不同，若構(gòu)件所承受的動(dòng)應(yīng)力幅值超過(guò)了材料本身的疲勞極限，則極易導(dǎo)致疲勞裂紋的出現(xiàn)。與此同時(shí)，若動(dòng)載荷幅值過(guò)大，會(huì)加速裂紋的出現(xiàn)。水輪機(jī)葉片的動(dòng)載荷主要來(lái)自于水流的沖擊力，因而在循環(huán)應(yīng)力幅中，拉應(yīng)力時(shí)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的主要因素。水輪機(jī)運(yùn)行在極小負(fù)荷區(qū)及強(qiáng)渦帶區(qū)時(shí)，葉片承受的動(dòng)應(yīng)力較大，水輪機(jī)在不合理的工況下運(yùn)行還可能與機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的其它因素疊加，加速裂紋的形成和發(fā)展。

考慮到公伯峽電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片貫穿性裂紋對(duì)轉(zhuǎn)輪工況、壽命的影響，電站多次組織專家到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)地查看了轉(zhuǎn)輪裂紋的情況，并出具了《公伯峽水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋分析報(bào)告》，其中建議在葉片上冠側(cè)、下環(huán)側(cè)出水邊應(yīng)力集中處補(bǔ)焊三角塊來(lái)實(shí)現(xiàn)加強(qiáng)轉(zhuǎn)輪葉片的強(qiáng)度，其可降低應(yīng)力集中對(duì)轉(zhuǎn)輪的影響，有效起到延緩裂紋產(chǎn)生的作用，防患于未然。

2 補(bǔ)焊三角塊來(lái)實(shí)現(xiàn)增加轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度可行性論證

由公伯峽電站4#、5#機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋情況可初步判斷，機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行是造成葉片裂紋的一個(gè)主要因素。在今后若機(jī)組延續(xù)在低負(fù)荷運(yùn)行工況運(yùn)行，轉(zhuǎn)輪裂紋將呈逐年加劇的趨勢(shì)。裂紋長(zhǎng)度逐漸加長(zhǎng)，裂紋形式由淺表性裂紋向貫穿性裂紋發(fā)展，長(zhǎng)此以往將造成機(jī)組效率下降、振動(dòng)加劇，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，尋求有效延緩轉(zhuǎn)輪裂紋的措施勢(shì)在必行，通過(guò)增加轉(zhuǎn)輪葉片出水邊加裝三角塊增加葉片強(qiáng)度的措施需進(jìn)一步研究。

2.1 補(bǔ)強(qiáng)三角塊電站原理示意

圖3 是葉片出水邊補(bǔ)強(qiáng)三角塊的形狀示意圖，補(bǔ)強(qiáng)三角塊原理是限制水輪機(jī)在各運(yùn)行工況下轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值。限制動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值的一個(gè)主要措施即為降低靜應(yīng)力水平。轉(zhuǎn)輪在不發(fā)生共振的條件下，根據(jù)應(yīng)力與水頭成比例的關(guān)系，壓力脈動(dòng)ΔH/H 動(dòng)靜應(yīng)力比Δσ/σ 也基本成線性關(guān)系，如果降低靜應(yīng)力水平同樣也相當(dāng)于降低了動(dòng)應(yīng)力的幅值，這也是近年來(lái)很多電站轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋后常采用的降低靜應(yīng)力水平來(lái)處理的主要原理。具體的措施是優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)尺寸、適當(dāng)加厚局部區(qū)域的尺寸，在出水邊施焊加裝降低應(yīng)力三角塊。

2.2 空間可行性

公伯峽電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片形式屬于較老式葉片，葉片整體跨度不是很長(zhǎng)，在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊上冠及下環(huán)區(qū)域均存在可以利用的空間來(lái)增加補(bǔ)強(qiáng)三角塊。

2.3 靜平衡影響評(píng)估

對(duì)于現(xiàn)有電站轉(zhuǎn)輪葉片增加補(bǔ)強(qiáng)三角塊均采用三維建模軟件UG 進(jìn)行建模，保證三角區(qū)域與葉片原有流線的完美過(guò)渡。其次，補(bǔ)強(qiáng)三角塊均采用數(shù)控精加工，各三角塊間差別微乎其微。但限于現(xiàn)場(chǎng)操作空間及施焊中不同操作者習(xí)慣等原因，勢(shì)必會(huì)引起轉(zhuǎn)輪一定程度的重量不平衡。眾所周知，轉(zhuǎn)輪靜平衡是考察力矩影響，補(bǔ)強(qiáng)三角塊力矩半徑靠近轉(zhuǎn)動(dòng)中心，因此不會(huì)造成大的不平衡。

2.4 已增加補(bǔ)強(qiáng)三角塊案例

小浪底、萬(wàn)家寨、五強(qiáng)溪、景洪等電站采用的都是施加應(yīng)力三角塊的方法來(lái)增強(qiáng)葉片強(qiáng)度，其靜應(yīng)力降低了40～50%。圖4 為景洪電站轉(zhuǎn)輪施加減應(yīng)力三角塊的結(jié)構(gòu)形式，圖5 為五強(qiáng)溪電站轉(zhuǎn)輪加焊減應(yīng)力三角塊的應(yīng)力分布。李家峽電站改造時(shí)，在模型轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)在葉片出水邊上冠側(cè)、下環(huán)側(cè)均施加減應(yīng)力三角塊，大大降低了葉片的靜應(yīng)力。

圖3 補(bǔ)強(qiáng)三角塊尺寸示意圖

圖4 景洪轉(zhuǎn)輪三角塊

圖5 五強(qiáng)溪轉(zhuǎn)輪三角塊

表1

萬(wàn)家寨、小浪底、五強(qiáng)溪、景洪在加裝三角塊后對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊減少裂紋的效果明顯，在其他電站有過(guò)增加補(bǔ)強(qiáng)三角塊的成功經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)相關(guān)電站反饋轉(zhuǎn)輪葉片在增加補(bǔ)焊三角塊之后未發(fā)現(xiàn)由此引發(fā)的轉(zhuǎn)輪不平衡問(wèn)題，對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況未發(fā)現(xiàn)任何影響。

3 工程內(nèi)容

①加裝的三角塊采用三維建模軟件UG 進(jìn)行建模；②采用數(shù)控精加工，減小誤差；③根據(jù)檢修條件在轉(zhuǎn)輪室或者安裝間進(jìn)行加裝焊接、應(yīng)力處理；④結(jié)合葉片線型進(jìn)行流線打磨處理。

4 結(jié)論

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水電站勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的核心部件，轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維修質(zhì)量決定水輪機(jī)整體性能，利用機(jī)組檢修A/B/C 級(jí)期間，在水尾管內(nèi)搭設(shè)腳手架，在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力三角塊的加裝工作，減緩轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，縮減檢修工期，提高機(jī)組利用小時(shí)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。