李家峽水電站水輪機轉(zhuǎn)輪葉片

1、李家峽水電站水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋成因淺析及采取措施的建議 喬吉慶（黃河水電公司李家峽發(fā)電分公司）摘要：李家峽水電站雙排機布置水輪發(fā)電機組運行中出現(xiàn)裂紋。本文論述了轉(zhuǎn)輪裂紋的特征及前期處理經(jīng)過，并對轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因進行了分析，提出了進一步改進轉(zhuǎn)輪裂紋處理的工藝、改善水輪發(fā)電機組主軸中心補氣以及優(yōu)化機組運行條件建議。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)輪葉片 裂紋 分析 建議1 前言李家峽水電站位于青海省尖扎縣和化隆縣交界的黃河干流上，是黃河上游的第三座大型水電站，是以發(fā)電為主的大型綜合水利樞紐工程。電站設(shè)計安裝5×400MW混流式水輪發(fā)電機組。工程分兩期建設(shè)，一期裝機1600 MW。機組分前后排方式布置，上游布置

2、2號、4號水輪發(fā)電機組，下游布置1號、3號、5號水輪發(fā)電機組。電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，是西北電網(wǎng)的骨干電廠，也是西北電網(wǎng)已投產(chǎn)的最大的水電站。李家峽水電站水輪發(fā)電機組為三導(dǎo)半傘式結(jié)構(gòu)，由東方電機股份有限公司設(shè)計制造，水輪機轉(zhuǎn)輪軟件技術(shù)由加拿大GE公司引進，機組的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造全部由東方電機股份有限公司獨立完成，其中轉(zhuǎn)輪采用異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪為分瓣結(jié)構(gòu)，由13個葉片組成。水輪機主要技術(shù)參數(shù)名稱參數(shù)單位水輪機型號HLD203-LJ-603最大水頭135.6m設(shè)計水頭122m最小水頭114.5m設(shè)計水頭出力408.2MW額定流量369.8m3s額定轉(zhuǎn)速125r/min飛逸轉(zhuǎn)速246r/mi

3、n吸出高度-7m葉片數(shù)13尾水管結(jié)構(gòu)形式1號機組4H型、2號、4號機組GE型、3號、5號機組加深加長GE型轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)ZGOCr13Ni6MO不銹鋼下環(huán)材質(zhì)ZGOCr13Ni4MO不銹鋼上冠材質(zhì)ZG2OSiMn低合金鋼發(fā)電機型號SF40048/2800電站1號水輪發(fā)電機組于1997年2月投產(chǎn)，2號水輪發(fā)電機組于1997年12月投產(chǎn)，3號水輪發(fā)電機組于1998年5月投產(chǎn)，4號水輪發(fā)電機組于1999年12月投產(chǎn)發(fā)電。在水輪發(fā)電機組投產(chǎn)發(fā)電后，相繼發(fā)現(xiàn)1號至4號水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋。1號至4號水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋統(tǒng)計表1號機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋統(tǒng)計葉片號檢修時間12345678910111213

4、備注1998.081999.042000.012000.062001.042002.112004.022004.112005.022005.112006.092007.022007.122號機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋統(tǒng)計葉片號檢修時間12345678910111213備注1998.071998.121999.06至今未發(fā)現(xiàn)裂紋3號機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋統(tǒng)計葉片號檢修時間12345678910111213備注1998.081999.011999.102000.052001.032002.012002.072003.092004.052004.122005.062005.112006.102007.044號機轉(zhuǎn)輪葉片

5、裂紋統(tǒng)計葉片號檢修時間12345678910111213備注2000.032000.112001.082002.032003.082004至今未發(fā)現(xiàn)裂紋2、 轉(zhuǎn)輪裂紋的特征及前期處理經(jīng)過通過對李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋統(tǒng)計分析，轉(zhuǎn)輪裂紋有以下特點：（1）普遍性，在水輪發(fā)電機組投產(chǎn)發(fā)電初期，是轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的高峰期，且裂紋的發(fā)生帶有普遍性，除1號機轉(zhuǎn)輪7葉片，2號機轉(zhuǎn)輪12葉片，3號機轉(zhuǎn)輪7葉片未發(fā)生裂紋外，其余葉片均發(fā)生裂紋（4號機轉(zhuǎn)輪除1、2、7、8、9、10、13葉片發(fā)生裂紋外，其它葉片未發(fā)現(xiàn)裂紋）；（2）重復(fù)性，在對葉片進行修復(fù)處理后，個別葉片仍重復(fù)性發(fā)生裂紋，1號水輪發(fā)電機組的2、4、11、1

6、3葉片，3號水輪發(fā)電機組的8、11、13葉片，均重復(fù)發(fā)生裂紋，且為貫穿性，帶分叉不規(guī)則的裂紋。李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生后，由原電站工程建設(shè)單位組織召開了“裂紋發(fā)生原因及裂紋處理工藝措施研究會”，與會專家從材質(zhì)、焊接工藝、模型和真機尾水管壓力脈動及轉(zhuǎn)輪動力響應(yīng)等方面進行了分析和試驗工作。認(rèn)為李家峽水電站轉(zhuǎn)輪葉片靜應(yīng)力較低，有較大的強度安全余量。轉(zhuǎn)輪所使用的原材料經(jīng)過化學(xué)成分分析，機械性能試驗和無損探傷結(jié)果合格。裂紋產(chǎn)生的主要原因是（1）焊縫存在質(zhì)量問題。（2）機組較長時間在低水頭部分負(fù)荷下運行。李家峽水電廠按要求對轉(zhuǎn)輪裂紋進行處理，但是未取得理想的效果。東方電機股份有限公司認(rèn)為李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂

7、紋產(chǎn)生的主要原因是（1）在電站雙排機聯(lián)合運行時，某些組合導(dǎo)致后排機組原來已經(jīng)偏大的壓力脈動值進一步惡化，較高的壓力脈動值會導(dǎo)致動應(yīng)力進一步增大，但不是簡單的幾何疊加。（2）葉片焊縫質(zhì)量差，是水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪大范圍發(fā)生裂紋的主要原因。（3）葉片補焊后再次出現(xiàn)裂紋，是由于現(xiàn)場條件限制，補焊的區(qū)域有可能成為新的應(yīng)力集中區(qū)或微裂紋區(qū)。（4）運行工況差，機組運行在低水頭、低負(fù)荷運行時間偏長。（5）葉片存在明顯的疲勞破壞貝殼紋。并提出在葉片出水邊與上冠交接處高應(yīng)力區(qū)域開設(shè)應(yīng)力缺口，以期改善該區(qū)域的應(yīng)力分布和應(yīng)力水平。并在3號水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪5#、7#、11#、13#對稱的四個葉片出水邊開設(shè)了工藝缺口。運行

8、8個月后發(fā)現(xiàn)開設(shè)工藝缺口的四個葉片有兩個葉片（11、13）出現(xiàn)了裂紋，在征得東方電機股份有限公司的同意下，對開設(shè)工藝應(yīng)力缺口的葉片進行了恢復(fù)。3、轉(zhuǎn)輪裂紋原因淺析由于轉(zhuǎn)輪裂紋成因十分復(fù)雜，不僅與轉(zhuǎn)輪的設(shè)計、制造、材質(zhì)、安裝有很大的關(guān)系，還與機組的運行工況和發(fā)生裂紋后的處理工藝有著重要的關(guān)系。目前已排除了轉(zhuǎn)輪原材料是產(chǎn)生轉(zhuǎn)輪裂紋的因素。在動應(yīng)力測試過程中，沒有發(fā)現(xiàn)卡門渦、葉道渦等因素所引起的動應(yīng)力。從李家峽水電站首臺機組投產(chǎn)至今近十年對轉(zhuǎn)輪裂紋統(tǒng)計可以看出，2號機組轉(zhuǎn)輪從1999年至今未出現(xiàn)裂紋。4號機組轉(zhuǎn)輪2004年后也未出現(xiàn)裂紋，而1號、3號機組轉(zhuǎn)輪從投產(chǎn)至今，在檢修中均發(fā)現(xiàn)裂紋，且為重復(fù)性

9、裂紋。說明具有金屬疲勞的特征，在葉片裂紋斷口取樣檢查發(fā)現(xiàn)，存在明顯的疲勞破壞貝殼紋。根據(jù)對李家峽水電站轉(zhuǎn)輪裂紋特征及運行工況的分析認(rèn)為，產(chǎn)生李家峽轉(zhuǎn)輪裂紋的原因為：（1）受當(dāng)時工藝條件的限制，生產(chǎn)葉片時手工打磨，制造過程中殘余應(yīng)力較大。（機組運行一年中是應(yīng)力快速釋放的過程，符合李家峽電站轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的規(guī)律）（2）出水邊部位是焊接收弧集中部位，收弧時易產(chǎn)生夾渣，弧坑裂紋等缺陷，對收弧部位清理不徹底，出水邊端部存在細(xì)微裂紋，焊縫內(nèi)部存在未溶合，夾渣等缺陷，這些缺陷將導(dǎo)致應(yīng)力集中，鏟磨焊縫時損傷母材。（3）水輪發(fā)電機組運行在禁止運行區(qū)和限制運行區(qū)時間過長，機組穩(wěn)定性差，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋加劇。通過機組

10、振動試驗得出：1號水輪發(fā)電機組頂蓋垂直振動在全部運行區(qū)內(nèi)均超過規(guī)范要求(0.09mm),頂蓋垂直振動在空載20MW,140MW,160MW四個工況點超過1.5 mm,最大值在空載時達(dá)到2.109 mm。 3號水輪發(fā)電機組頂蓋垂直振動與水平振動在全部運行區(qū)均超過規(guī)范要求。4號水輪發(fā)電機組水輪機頂蓋垂直振動與水平振動在全部運行區(qū)均超過規(guī)范要求。在200MW時最高達(dá)到1.3645 mm。對李家峽水電站雙排機組真機試驗研究中的測試的數(shù)據(jù)表明，李家峽四臺機組頂蓋的垂直振動與水平振動都嚴(yán)重超標(biāo)，水壓脈動幅值也較大。說明李家峽電站水輪發(fā)電機組存在明顯的運行穩(wěn)定性問題。對2001年至2006年1號至4號水輪發(fā)

11、電機組運行區(qū)域進行了統(tǒng)計(由于統(tǒng)計采樣取整點負(fù)荷,與實際值有所偏差)1號機組在禁止運行區(qū)域運行時間占運行小時數(shù)的24%，在限制運行區(qū)域運行時間占運行小時數(shù)的67%，在穩(wěn)定運行區(qū)域運行僅占運行小時數(shù)的9%。2號機組在禁止運行區(qū)域運行時間占運行小時數(shù)的4%，在限制運行區(qū)域運行時間占運行小時數(shù)的51%，在穩(wěn)定運行區(qū)域運行占運行小時數(shù)的45%。3號機組在禁止運行區(qū)域運行時間占17%，在限制運行區(qū)域運行時間占75%，在穩(wěn)定運行區(qū)域運行占8%。4號機組在禁止運行區(qū)域運行占4%，在限制運行區(qū)域運行占60%，在穩(wěn)定運行區(qū)域運行占36%。說明李家峽水電站1號、3號水輪發(fā)電機組在限制和禁止運行區(qū)域運行時間過長，是

12、導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的另一個重要原因。（4）大軸中心孔補氣量不足是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因之一李家峽水電站水輪發(fā)電機組布置為雙排機布置，2號、4號水輪發(fā)電機組布置在廠房上游側(cè)，1號、3號水輪發(fā)電機組布置在廠房下游側(cè)。大軸補氣采用液壓緩沖式密封真空補氣閥，補氣閥的原理是水輪機在運行中，當(dāng)尾水管產(chǎn)生負(fù)壓時，補氣閥克服了彈簧彈力開啟補氣。尾水管內(nèi)真空被破壞后，大氣壓力小于彈簧彈力與尾水管負(fù)壓之和時，補氣閥關(guān)閉。由于2號、4號水輪發(fā)電機組安裝位置距尾水平臺距離較遠(yuǎn)，在安裝大軸補氣管路時，為減少補氣量的損失，將大軸補氣管路安裝在風(fēng)洞外，而1號、3號水輪發(fā)電機組將大軸補氣管路延伸至尾水平臺處。從現(xiàn)場掌握的情況，

13、李家峽水電站1號至4號水輪發(fā)電機組，在渦帶區(qū)運行時，大軸補氣量均為呼吸間歇式，不能形成連續(xù)補氣，說明大軸補氣量不足。補氣量不足是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因之一。將1號機組大軸補氣管路改為風(fēng)洞外，以減少補氣量損失，在2005年11月1號機組檢修中，僅發(fā)現(xiàn)一條裂紋。（5）暫態(tài)過程動、靜應(yīng)力對轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的影響。根據(jù)李家峽水電站轉(zhuǎn)輪動、靜應(yīng)力測試結(jié)果，李家峽水電站1號水輪發(fā)電機組在啟動過程中，動、靜應(yīng)力變化幅度相當(dāng)大，靜應(yīng)力及動應(yīng)力的變幅過程，均出現(xiàn)在啟動過程中。啟動過程中最大靜應(yīng)力變幅為77.1MPa，大于最大負(fù)荷工況下靜應(yīng)力（約39.1 MPa），啟動過程中的最大動應(yīng)力為45.4 MPa，大于負(fù)荷工

14、況下的最大動應(yīng)力（16.64 MPa）為穩(wěn)定空載情況的6.14倍。頻繁啟動過程是造成轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因之一。4、轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理措施1）進一步改進并優(yōu)化轉(zhuǎn)輪裂紋處理的補焊工藝（1）著色探傷發(fā)現(xiàn)表面裂紋后應(yīng)對存在裂紋的葉片進行超聲探傷，確定裂紋的末端。（2）在裂紋末端鉆止裂孔。（3）對裂紋部位進行預(yù)熱后，用刨除或打磨的方法清理裂紋，并對清理表面進行著色探傷，確定裂紋是否清理干凈。（4）焊接前對焊接部位及周圍局部預(yù)熱至90100oC。（5）焊接時，進行正反面交替焊，焊接過程對每層焊道進行錘擊，以清除焊接應(yīng)力，層間溫度控制不超過200oC，焊接表面高出原表面兩道焊層。（6）焊完后溫度控制在230oC

15、，保溫2h后，用防熱材料覆蓋自然冷卻。（7）做超聲波探傷式著色探傷，確保沒有裂紋。2）改善水輪發(fā)電機組主軸中心補氣大型水輪發(fā)電機組主軸中心補氣是減輕機組震動的經(jīng)濟有效措施。實驗研究表明，在振動區(qū)只要有水輪機額定出力流量的1.52.5%的補氣量，且能夠補到渦帶空腔區(qū)，就可以有效抑制水輪機尾水管渦帶造成的水壓脈動。但是如果補氣量不足，不僅不能降低水輪機尾水管渦帶水壓脈動，有時還會使振動加劇。3）優(yōu)化機組運行條件 根據(jù)1號至4號水輪發(fā)電機組單機的運行工況來看，1號水輪發(fā)電機組在限制運行區(qū)和禁止運行區(qū)域運行小時數(shù)占到了總運行小時數(shù)的91%，3號水輪發(fā)電機組在限制運行區(qū)域和禁止運行區(qū)域運行小時數(shù)占到了總運行小時數(shù)的92%。 如何合理的在滿足系統(tǒng)要求的前提下，優(yōu)化機組的運行條件，是預(yù)