混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因和分析

1、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因和分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，尤其是中、高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的裂紋現(xiàn)象，在世界各地普遍存在。國外例子有埃及的阿斯旺高壩、美國的大古力800MW機(jī)，俄羅斯的布拉茨克等，國內(nèi)有巖灘、李家峽、小浪底、五強(qiáng)溪、二灘等大型水電站，在投運(yùn)后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪都不同程度的出現(xiàn)了裂紋。轉(zhuǎn)輪裂紋嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，引起人們的極大關(guān)注。1 產(chǎn)生裂紋的原因但是為什么會產(chǎn)生裂紋呢？通過人們的許多研究，提出了一些假設(shè)，主要分為規(guī)律性裂紋和非規(guī)律性裂紋。規(guī)律性裂紋主要是指葉片上的裂紋具有大體一直的規(guī)律，幾乎所有葉片都有，裂紋的部位和走向也大體一致。非規(guī)律性主要是指裂紋只要集中在個別的葉片上，部位和

2、走向也基本不一樣。主要產(chǎn)生裂紋的原因主要有以下原因：1.1 規(guī)律性裂紋失效分析結(jié)果表明：絕大多數(shù)規(guī)律性裂紋是疲勞裂紋，端口呈現(xiàn)明顯的貝紋。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷，而交變載荷又由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動引發(fā)，這坑呢個是卡門渦列、水力彈性振動或者水壓脈動所誘發(fā)。1.2 非規(guī)律性裂紋非規(guī)律性裂紋有的呈網(wǎng)狀龜裂紋，有的呈脆性斷口，也有的呈疲勞貝殼紋。這類裂紋多數(shù)由材料不良或制造質(zhì)量缺陷造成。2 裂紋的處理(1裂紋處理的關(guān)鍵是找出產(chǎn)生裂紋的根本原因，對癥下藥。非規(guī)律性的裂紋一般比較好分析。難的是規(guī)律性裂紋，究竟是哪些原因起主導(dǎo)作用。最有力的手段就是破壞部位的動應(yīng)力測試。從應(yīng)力頻譜中分解出構(gòu)成動應(yīng)力主

3、要分量的頻率和幅值，進(jìn)而跟蹤查出相應(yīng)的水力激振源。(2裂紋的焊補(bǔ)工藝非常重要。埃及阿斯旺高壩工程的12臺混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪曾發(fā)生過嚴(yán)重裂紋。原美國阿里斯查摩公司為其更換了其中6臺。法國電力公司采用合理的焊補(bǔ)工藝、焊接材料，在有經(jīng)驗(yàn)的工程師指導(dǎo)下，由優(yōu)秀焊工操作成功地修復(fù)了其他6臺。很顯然，兩者處理效果相當(dāng)而后者成本大為降低，焊補(bǔ)工藝的重要性由此可見一斑。(3轉(zhuǎn)輪裂紋，尤其是高應(yīng)力區(qū)的裂紋，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就應(yīng)盡可能早的焊補(bǔ)處理。高應(yīng)力區(qū)的裂紋多 小浪底水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋數(shù)由高疲勞引起，這種裂紋的形成有萌生期和發(fā)展期兩個階段。發(fā)展期的擴(kuò)展速度取決于材料在水下的裂紋擴(kuò)展速率和裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)，一般是比較快

4、的。3 預(yù)防措施3.1 水力設(shè)計(jì)針對具體水電站的運(yùn)行特點(diǎn)，選擇和優(yōu)化水輪機(jī)參數(shù)、設(shè)計(jì)并經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證一個水力穩(wěn)定性最佳的轉(zhuǎn)輪是預(yù)防裂紋的重要環(huán)節(jié)。3.2 選材大型混流式水輪機(jī)的上冠、下環(huán)、葉片均宜采用13.5低碳馬氏體不銹鋼，焊材可用具有高塑性而強(qiáng)度相對稍低些的三相馬氏體材料。3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(1靜強(qiáng)度。對上面推薦的材料組合，整體轉(zhuǎn)輪在正常工況下的最大靜應(yīng)力宜控制在110MPa以下。分瓣轉(zhuǎn)輪由于分瓣處的葉片存在局部附加應(yīng)力，最大靜應(yīng)力不應(yīng)超過95MPa。(2疲勞強(qiáng)度。轉(zhuǎn)輪在工作中承受靜應(yīng)力和動應(yīng)力，其強(qiáng)度理應(yīng)按疲勞理論評定。當(dāng)前存在兩個困難-一是缺乏權(quán)威的材料水下疲勞曲線，二是缺乏作用在轉(zhuǎn)輪上

5、的動載荷譜。因此，難以按疲勞損傷累積理論(Palmgrem Miner理論計(jì)算疲勞壽命?？稍诩铀僭擃I(lǐng)域基礎(chǔ)工作的同時(shí)，暫按公開發(fā)表的資料，以偏安全的原則，選定材料水下疲勞曲線和動載荷譜進(jìn)行計(jì)算。(3應(yīng)選定材料的裂紋擴(kuò)展速率，確定裂紋前端的應(yīng)力狀態(tài)，校核并確認(rèn)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的允許缺陷(無損探傷的靈敏度是穩(wěn)定的，不會繼續(xù)擴(kuò)展。3.4 避免共振 避免共振是轉(zhuǎn)輪可靠性設(shè)計(jì)的重要一環(huán)。應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)輪葉片和下環(huán)在水中各種階次和模態(tài)的固有頻率，以及包括輸水管道、導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間環(huán)狀水體在內(nèi)的各種水力激振頻率，并仔細(xì)加以比較和調(diào)整以避開可能發(fā)生的共振。3.5 預(yù)留輔助措施 由于水力激振問題的復(fù)雜性，很難在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確預(yù)測，即使有模型試驗(yàn)佐證 但還存在模型和真機(jī)間的換算問題。另外起動、停機(jī)、甩負(fù)荷等過渡過程中的動載荷和動應(yīng)力更是模型試驗(yàn)所難以模擬的。因此，在設(shè)計(jì)上應(yīng)留有輔助的補(bǔ)救措施，例如-改善尾水管壓力脈動的補(bǔ)氣措施 預(yù)防起動過程中水力彈性振