水輪機(jī)葉片裂紋原因分析及預(yù)防措施

水輪機(jī)葉片裂紋原因分析及預(yù)防措施

0關(guān)于裂紋事件發(fā)動(dòng)機(jī)是發(fā)動(dòng)機(jī)的中心部件。往年水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片不斷發(fā)生裂紋事件,引起了大家的高度重視。探尋水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的成因,從葉片設(shè)計(jì)和制造方面采取了多項(xiàng)優(yōu)化和改進(jìn)措施以解決葉片裂紋問題,是一項(xiàng)十分緊迫的課題。1車輪裂紋的起源1.1混合流量法的旋轉(zhuǎn)對于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的原因有以下幾方面。1.1.1葉片裂紋的防止在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)的規(guī)律性裂紋絕大多數(shù)都屬于疲勞裂紋,斷口呈現(xiàn)明顯的貝殼紋。從力學(xué)及材料力學(xué)上來說,疲勞裂紋的出現(xiàn)就是葉片所承受的動(dòng)應(yīng)力超過了葉片材料疲勞強(qiáng)度極限的結(jié)果。也就是說葉片承受動(dòng)載荷的能力不足時(shí),將可能出現(xiàn)葉片裂紋。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(dòng)引發(fā),這可能是卡門渦列、水力彈性振動(dòng)或水壓力脈動(dòng)所誘發(fā)。某水電站225MW機(jī)組就是卡門渦引起葉片共振導(dǎo)致裂紋的典型實(shí)例。1號機(jī)完成安裝調(diào)試,72h試運(yùn)行后,13個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片全部產(chǎn)生裂紋。裂紋不僅出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠、下環(huán)交接處的根部,還有很多出現(xiàn)在葉片出水邊的偏中間的位置。排除本身材質(zhì)缺陷以及制造質(zhì)量不良影響,能在如此短的時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重出現(xiàn)裂紋,原因只有葉片卡門渦引起的共振。然后經(jīng)多次試驗(yàn)和實(shí)踐,對葉片出水邊進(jìn)行修型,問題得以解決,為混流式大型機(jī)組防止轉(zhuǎn)輪葉片裂紋提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。水力彈性振動(dòng)應(yīng)設(shè)置高壓油頂起裝置減少軸承摩擦阻力來解決葉片裂紋問題。機(jī)組起動(dòng)過程中,如果水輪機(jī)葉片頭部過度肥大,在導(dǎo)葉小開度時(shí)的不穩(wěn)定水流沖擊下激起水力彈性振動(dòng),其主頻恰與主軸一階扭振重合,可引起幅動(dòng)應(yīng)力。出現(xiàn)這種情況,應(yīng)采取向?qū)~后補(bǔ)氣,加快起動(dòng)速度,加大起動(dòng)開度,加強(qiáng)葉片根部以增加其抵抗外力的能力等措施加以預(yù)防。補(bǔ)氣除了衰減壓力脈動(dòng)外,還能消除水流動(dòng)態(tài)變異、脫流引起的真空、空腔、空化和空蝕破壞。日本在尾水管錐管進(jìn)口安裝幾個(gè)紊流板并通過其表面上的氣孔進(jìn)行補(bǔ)氣,補(bǔ)氣量約為水流量的0.1%~0.2%,不僅防止裂紋發(fā)生,還使空蝕強(qiáng)度減少到1/5~1/7。尾水管壓力脈動(dòng)能以某種形態(tài)傳遞到轉(zhuǎn)輪葉片上,轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)還可能作用著水流脫流造成的脈動(dòng)壓力,并直接作用在葉片上。顯然,這些脈動(dòng)壓力將引起葉片的交變應(yīng)力。若這種激振頻率與葉片或下環(huán)的固有頻率耦合時(shí),必將誘發(fā)更大的動(dòng)應(yīng)力,造成葉片開裂。而小開度下的尾水管壓力脈動(dòng)頻率對下環(huán)卻可能帶來影響,某水電站400MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)間的交根焊縫開裂后,裂紋向下環(huán)區(qū)發(fā)展也許與此有關(guān)。但是,只要葉片不開裂,低應(yīng)力的下環(huán)將會是安全的。1.1.2修型和過濾技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí),就要考慮到可能影響葉片承受動(dòng)載荷能力的因素。首先,要保證葉片材料的化學(xué)成分、機(jī)械性能以及承受工作應(yīng)力的能力符合要求。在1960~1970年,我國轉(zhuǎn)輪材料多為低合金鑄鋼(如鑄鋼ZG20SiMn)。長時(shí)間運(yùn)行后不僅裂紋普遍存在,有的電站還出現(xiàn)過葉片斷裂的情況。目前轉(zhuǎn)輪材料多為06Cr13Ni4~6Mo的低碳馬氏體不銹鋼,采用VOD或AOD鑄造工藝,由于材質(zhì)不良引發(fā)的葉片裂紋及斷裂已經(jīng)很少見了。材料的實(shí)際疲勞強(qiáng)度由于受到運(yùn)行過程中諸多因素的影響,設(shè)計(jì)時(shí)無法準(zhǔn)確確定。因此,目前一般通過材料的最大工作應(yīng)力與材料的屈服強(qiáng)度或極限抗拉強(qiáng)度的相對關(guān)系來評判。采用有限元計(jì)算分析得出,轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下,大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上,按第三強(qiáng)度理論計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊分布。轉(zhuǎn)輪葉片存在4個(gè)高應(yīng)力區(qū),他們的位置在葉片進(jìn)水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處及葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,各部件的倒角應(yīng)適當(dāng)修圓,臨近表面的連接應(yīng)光滑連續(xù),避免應(yīng)力集中?；炝魇睫D(zhuǎn)輪葉片型面為復(fù)雜的空間扭轉(zhuǎn)曲面,其斷面為流線翼型,流線要求很高,而且為更好地符合水流規(guī)律,葉片出水邊往往較薄。傳統(tǒng)的葉片型面加工采用砂輪人工仔細(xì)修磨、立體樣板人工測量的方法,為保證型面要求而反復(fù)修磨,造成葉片厚度無法滿足設(shè)計(jì)要求,剛度被嚴(yán)重削弱。所以葉片強(qiáng)度不夠也可能是裂紋重復(fù)產(chǎn)生的原因之一。對某水電站700MW混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進(jìn)行修型(采用大的過渡圓角和小的出水邊末端厚度,可提高卡門渦頻率,使其避開葉片在水中的固有頻率,減少激發(fā)共振的可能性)。將葉片與轉(zhuǎn)輪上冠出水邊增設(shè)三角區(qū),增大圓弧角度,降低最高壓力區(qū)應(yīng)力水平。采取有效措施,降低轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)連接處焊縫的殘余應(yīng)力(轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)組焊后,焊接處的殘余應(yīng)力相當(dāng)大,甚至可以達(dá)到或超過母材的屈服強(qiáng)度。因此,一方面要改善焊接工藝措施,另一方面要進(jìn)行退火熱處理,有效消除殘余應(yīng)力,把殘余應(yīng)力的最大值控制在母材屈服強(qiáng)度的1/2~1/3范圍)。某水電站300MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組投運(yùn)的第一臺機(jī)組(6號機(jī))在運(yùn)行了1330h后,13個(gè)葉片都出現(xiàn)了裂紋,且大部分為貫穿性裂紋,自焊縫起裂處向母材發(fā)展,呈不規(guī)則的拋物線狀。裂紋斷口呈明顯的疲勞特征。隨后,5號機(jī)在空載調(diào)試期間,發(fā)現(xiàn)6條裂紋。4號和3號機(jī)在調(diào)試中和72h試運(yùn)行后檢查,均有不同程度的裂紋發(fā)生。根據(jù)以上裂紋情況,首先對裂紋處取樣和轉(zhuǎn)輪葉片熱模壓后取樣進(jìn)行分析,分析材料的機(jī)械性能、化學(xué)成分、金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)過對葉片裂紋斷口的失效分析,確定微觀組織、夾雜物以及晶粒度評級無異常,焊接工藝和焊接質(zhì)量也沒有問題。這說明,并不是材質(zhì)、鑄造和焊接加工問題導(dǎo)致的葉片裂紋。檢查原設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn),出水邊近上冠處葉片呈尖棱狀,出水邊端面與上冠的過渡圓弧也比較小,很容易引起應(yīng)力集中。并且,水輪機(jī)最高水頭141m,最大出力330MW時(shí),葉片出水邊正面近上冠處最大應(yīng)力為270MPa;在最低水頭70m,出力50MW時(shí),葉片出水邊背面近上冠處應(yīng)力為201.65MPa。比較其他機(jī)組,靜態(tài)應(yīng)力取值明顯偏高。從這兩點(diǎn)可以看出,葉片本身承受動(dòng)載荷的能力有所欠缺。在運(yùn)行這么短的時(shí)間內(nèi),大量葉片多處出現(xiàn)裂紋,說明激發(fā)裂紋產(chǎn)生的能量足夠大,顯然不是交變應(yīng)力長期作用的結(jié)果。通過測試發(fā)現(xiàn),在一定的運(yùn)行條件下,葉片出水邊出現(xiàn)卡門渦,且頻率與葉片固有頻率產(chǎn)生了共振,正是共振產(chǎn)生的能量引發(fā)了葉片上的高頻、高幅動(dòng)應(yīng)力、導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。這說明,葉片的設(shè)計(jì)存在不合理之處,導(dǎo)致葉片本身承受動(dòng)載荷能力下降,再加之,葉片出水邊的不合理設(shè)計(jì)導(dǎo)致卡門渦與葉片發(fā)生共振,巨大的能量導(dǎo)致裂紋迅速產(chǎn)生并發(fā)展,對機(jī)組造成了不良影響。后將葉片出水邊修薄到7mm后,機(jī)組性能得到改善。某水電站75MW機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋為泄水錐結(jié)構(gòu)不合理,是非規(guī)律性上冠裂紋的主要原因。1.1.3某實(shí)船機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的問題鑄造缺陷主要表現(xiàn)為組織疏松、偏析、夾渣、氣孔、微裂紋或宏觀裂紋等情況,其導(dǎo)致的裂紋一般為非規(guī)律性的裂紋,有的呈網(wǎng)狀龜裂紋,有的呈脆性斷口。其中,影響葉片疲勞強(qiáng)度、較低葉片承受動(dòng)載荷能力的主要缺陷,將導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中,使裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展。某水電站245MW機(jī)組改造投運(yùn)6個(gè)月后,檢查發(fā)現(xiàn)葉片裂紋便達(dá)22條。1年之后,又發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋13條,探傷發(fā)現(xiàn)的微裂紋多達(dá)30條,而這期間機(jī)組累計(jì)運(yùn)行才724h。裂紋主要集中在葉片中間部位,呈封閉型裂紋,通過金相分析,發(fā)現(xiàn)母材存在較多鑄造缺陷,大面積的點(diǎn)狀缺陷正位于葉片中間部位,與裂紋位置完全一致。某水電站400MW機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與某水電站300MW機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的裂紋有共性,也有各自的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪裂紋在制造方面的原因主要是轉(zhuǎn)輪鑄造的疏松和廠內(nèi)施焊時(shí)缺乏質(zhì)量意識,焊接部位出廠時(shí)本身就具有隱蔽缺陷,包括焊后的熱處理也沒有很好地消除焊縫處存在的內(nèi)應(yīng)力?？梢?鑄造缺陷在裂紋發(fā)生和發(fā)展過程中起到了至關(guān)重要的作用。而對于不削弱鑄鋼件強(qiáng)度或不影響鑄鋼件的次要缺陷是可以進(jìn)行處理的,以保證材料的使用強(qiáng)度要求。1.1.4葉片出現(xiàn)裂紋時(shí)應(yīng)注意的問題轉(zhuǎn)輪的制造缺陷也是引發(fā)非規(guī)律性裂紋的重要原因。葉片型線、流道尺寸加工不準(zhǔn)確,葉片與上冠、下環(huán)之間的過渡圓角不合理等這些結(jié)構(gòu)上的主要問題,目前采用的數(shù)控加工基本不會出現(xiàn)。在加工過程中,能夠引起葉片承受動(dòng)載荷能力下降的主要因素就是焊接工藝和焊接質(zhì)量。焊接缺陷主要是指焊接金屬部分的實(shí)際強(qiáng)度或承受動(dòng)載荷的能力不足,其引起的裂紋主要出現(xiàn)在焊接金屬區(qū),一般不向葉片本體上發(fā)展。焊接質(zhì)量不良主要表現(xiàn)在殘余應(yīng)力比較大,夾渣、氣孔、微裂紋、過熔或欠熔等方面,其結(jié)果也是使焊接金屬及其熱影響區(qū)承受動(dòng)載荷的能力降低。不少水電站轉(zhuǎn)輪裂紋有從嚴(yán)重焊縫缺陷或焊接延遲裂紋處開裂的例子。葉片表面粗糙,出水邊高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)不應(yīng)有的尖棱,存在嚴(yán)重的鏟磨縮頭等,都可能促使轉(zhuǎn)輪裂紋生成。因此,我們在處理已發(fā)現(xiàn)的裂紋和空蝕嚴(yán)重部位時(shí)要嚴(yán)格按照檢修工藝,避免應(yīng)補(bǔ)焊或打磨不合格而再次產(chǎn)生裂紋。某水電站3號機(jī)組在1994年6月投產(chǎn),在1995年年初便發(fā)現(xiàn)了裂紋并進(jìn)行了補(bǔ)焊,到2002年度檢修結(jié)束止,每年都要進(jìn)行葉片裂紋的補(bǔ)焊,4臺機(jī)共52個(gè)葉片,除2號機(jī)的4號葉片外,51個(gè)葉片均出現(xiàn)過裂紋,裂紋起初都出現(xiàn)在葉片出水邊近上冠和下環(huán)的焊接處,經(jīng)過補(bǔ)焊增大上冠、下環(huán)焊縫處的圓角后,裂紋有逐步向葉片中部發(fā)展的趨勢。在葉片的修復(fù)焊接時(shí),由于裂紋太多,補(bǔ)焊已不能保證質(zhì)量,直接將其整塊割除,然后使用同材質(zhì)的厚不銹鋼板照樣板裁割補(bǔ)焊,焊接時(shí)盡量做到平滑過渡。這樣焊接以后,經(jīng)過實(shí)際使用,未見裂紋或脫落。經(jīng)過大量實(shí)測,發(fā)現(xiàn)某機(jī)組在運(yùn)行中有兩個(gè)明顯的振動(dòng)區(qū)。在高負(fù)荷區(qū),導(dǎo)葉后壓力脈動(dòng)與廠房局部結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)烈共振;在部分負(fù)荷區(qū),尾水管低頻壓力脈動(dòng)過高,引起葉片振動(dòng)。針對某機(jī)組出現(xiàn)的裂紋,通過材料的金相分析,發(fā)現(xiàn)除葉片材質(zhì)存在氣孔、砂眼等缺陷外,制造過程中問題也較多,葉片分上、下兩段鑄造后在廠內(nèi)拼焊,葉片與上冠、下環(huán)焊接缺陷較多,上冠材質(zhì)與葉片為異種鋼焊接,焊接后殘余應(yīng)力較大。葉片翼型采用正、背面組合樣板手工打磨,葉片形狀及厚度都未達(dá)到設(shè)計(jì)要求,出水邊厚度普遍偏薄。這都將導(dǎo)致葉片承受動(dòng)載荷的能力大大降低,容易產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過振動(dòng)區(qū)的運(yùn)行,較大的尾水管壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用于葉片上,最終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。這是一個(gè)綜合作用的過程。在經(jīng)過不銹鋼板整塊補(bǔ)焊后未發(fā)現(xiàn)裂紋,這也說明了葉片本身承受動(dòng)載荷的能力得到增強(qiáng)。采取其他措施降低機(jī)組的振動(dòng),也使葉片承受的動(dòng)應(yīng)力減弱。同時(shí)增強(qiáng)葉片自身承受動(dòng)載荷能力和減弱外部激勵(lì),葉片裂紋才能得到有效改善。某水電站轉(zhuǎn)輪焊后不退火,焊后殘余應(yīng)力過高,導(dǎo)致裂紋。這些都是工藝方面典型的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。1.1.5號機(jī)葉片出現(xiàn)裂紋運(yùn)行工況對葉片裂紋產(chǎn)生的影響主要反映在不同負(fù)荷作用下,葉片承受的動(dòng)載荷不同。比如水輪機(jī)運(yùn)行在小負(fù)荷區(qū)及強(qiáng)渦帶工況區(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)行可能誘發(fā)引起機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的其他問題的疊加,例如導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪部件的自激振動(dòng)、共振等,加速裂紋的發(fā)展?；炝魇剿啓C(jī)轉(zhuǎn)輪葉片安放角不能調(diào)節(jié),當(dāng)水頭或負(fù)荷偏離最優(yōu)工況較多時(shí),必然會因水力不穩(wěn)定而使葉片承受較大動(dòng)載荷,導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。裂紋的產(chǎn)生與運(yùn)行工況有較密切的聯(lián)系,水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)避開水力不穩(wěn)定區(qū)、葉片動(dòng)載荷大的區(qū)域,最好能在最優(yōu)工況或附近運(yùn)行。某水電站320MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋具有它自身的特點(diǎn),它是在運(yùn)行了20年之后才出現(xiàn)裂紋的。4臺機(jī)組分別于1987~1989年投入運(yùn)行,水庫于2005年蓄水增加,水位達(dá)到了歷史最高水位。2005年年底檢查發(fā)現(xiàn),3號機(jī)葉片出現(xiàn)了一條裂紋,長度為110mm。2006年2月檢查發(fā)現(xiàn),1號機(jī)葉片也出現(xiàn)了5條裂紋,總長度達(dá)490mm。裂紋主要出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠和下環(huán)相交的部位,多數(shù)都在熱影響區(qū)。多數(shù)裂紋在高水頭運(yùn)行的后期出現(xiàn),但最高水頭也只有145.75m(毛水頭),并未達(dá)到它的最高運(yùn)行水頭148m。轉(zhuǎn)輪并不是全部葉片均產(chǎn)生裂紋,產(chǎn)生裂紋的葉片只占少數(shù),裂紋情況相對于其他電站而言,還是比較輕微的。隨后水庫在低水位運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)輪葉片仍然出現(xiàn)裂紋,在2007年7月對1號機(jī)的檢修中發(fā)現(xiàn),葉片出水邊靠近上冠處又出現(xiàn)了5條貫穿性裂紋,其中3個(gè)葉片是高水頭運(yùn)行后補(bǔ)焊過的,且裂紋出現(xiàn)在葉片的同樣部位。此時(shí)水輪機(jī)的運(yùn)行毛水頭均在136m以下,大部分在130m水頭以下。值得注意的是,葉片出現(xiàn)裂紋時(shí)機(jī)組已經(jīng)運(yùn)行了將近20年,并且在近20年的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)輪葉片也沒有出現(xiàn)過裂紋。說明裂紋并不是由葉片的材質(zhì)或者焊接質(zhì)量引起的,葉片本身承受動(dòng)載荷的能力還是比較強(qiáng)的。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)也排除了共振的因素,確定是長期作用在葉片上的交變應(yīng)力引起的疲勞裂紋。雖然裂紋是在約半年的高水頭運(yùn)行之后陸續(xù)出現(xiàn)的,但是在隨后的低水頭運(yùn)行時(shí),焊接過的葉片及新的葉片仍然出現(xiàn)裂紋,這說明高水頭運(yùn)行也不是直接導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。隨著多年來的運(yùn)行,葉片剩余疲勞強(qiáng)度已經(jīng)逐漸在減小,在經(jīng)過一段時(shí)間的高水頭運(yùn)行,葉片的剩余疲勞強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到或接近葉片出現(xiàn)裂紋的臨界點(diǎn)。可以說,高水頭運(yùn)行促使了葉片裂紋的發(fā)生和發(fā)展,但不是葉片裂紋產(chǎn)生的基本原因。目前有一批運(yùn)行接近20年或20年以上的電站,葉片陸續(xù)出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象,有可能是屬于這類情況。某水電站300MW機(jī)組在高水頭運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)輪前、導(dǎo)葉后水體產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)和尾水管內(nèi)補(bǔ)氣不足及渦帶而產(chǎn)生的尾水壓力脈動(dòng)過大,因而引起機(jī)組振動(dòng),使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生交變應(yīng)力所致。要想使轉(zhuǎn)輪長期無故障運(yùn)行,需要采取以下措施:1)避開高水頭運(yùn)行;2)避開機(jī)組振動(dòng)區(qū)運(yùn)行;3)增大尾水補(bǔ)氣強(qiáng)度或在尾水里襯加裝紊流片。另外,在電站機(jī)組運(yùn)行過程中,起動(dòng)、停機(jī)、加載、卸載都應(yīng)緩慢運(yùn)行,急開、急停都可能導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。如果不能滿載運(yùn)行,也不要在較低的部分負(fù)荷下運(yùn)行,負(fù)荷低于50%以下應(yīng)引起注意。巴西依太普機(jī)組單機(jī)容量715/740MW,當(dāng)負(fù)荷低于400MW以下就不運(yùn)行了。1.1.6快速導(dǎo)致部件損壞共振是機(jī)組不穩(wěn)定性的一種比較強(qiáng)烈的外部表現(xiàn)形式,共振所產(chǎn)生的能量能夠快速導(dǎo)致部件的損壞。轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生共振時(shí),所承受的動(dòng)應(yīng)力將可能放大10倍,裂紋將很快產(chǎn)生并迅速擴(kuò)展。從已經(jīng)運(yùn)行的電站情況來看,葉片共振基本上是由卡門渦引起的,卡門渦與葉片的固有頻率共振將引發(fā)高頻、高幅的動(dòng)應(yīng)力。1.1.7混流式轉(zhuǎn)輪的特性轉(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,避免機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行。某水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋通常產(chǎn)生于葉片出水邊應(yīng)力集中區(qū)域,尤其集中出現(xiàn)在葉片出水邊根部與上冠、下環(huán)的連接焊縫和焊縫熱影響區(qū)內(nèi),而且基本上是貫穿性裂紋。這是由于大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊過長,厚度較薄而剛度不足。在水流沖擊下,葉片出水邊發(fā)生振動(dòng),在葉片出水邊的中部,葉片可以通過彈性變形釋放應(yīng)力;但葉片靠近上冠的位置,由于上冠的約束不能發(fā)生較大的變形釋放應(yīng)力,故在交變應(yīng)力作用下,發(fā)生局部塑性變形,長期塑性破壞累計(jì)的結(jié)果,萌生疲勞裂紋源,即產(chǎn)生裂紋。某些混流式轉(zhuǎn)輪并不是由同一種材料制成,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造方式采用的是異種鋼拼焊對稱分辨轉(zhuǎn)輪,由于焊接是高溫溶化母材將構(gòu)件連接成整體,母材局部的熔化和冷卻造成拼焊熔合區(qū)、熱影響區(qū)等各部位的材料組織與母體的材料組織存在顯著的差異,各種拼焊缺陷不可避免地存在于焊縫及相鄰區(qū)域中。某水電站7×100MW混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片選用了低合金高強(qiáng)度材料ZG15MnMoVCu,上冠為ZG20MnSi鑄鋼。當(dāng)前4臺機(jī)組安裝運(yùn)行后,發(fā)生了第3號機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的斷掉事故,其中一瓣轉(zhuǎn)輪從分瓣面開始相鄰3個(gè)葉片全部從與上冠、下環(huán)相接處斷掉,落入尾水管中(其中有一個(gè)葉片被水沖走未找著)。另一瓣有2個(gè)不相鄰的葉片也產(chǎn)生了嚴(yán)重裂紋。后邀全國設(shè)計(jì)、工藝、鑄造、材料、熱處理、電站運(yùn)行等各方面專家共同分析,認(rèn)為該葉片屬首次使用,對其力學(xué)性能、焊接性能的了解尚需進(jìn)一步深入,決定不再用作轉(zhuǎn)輪葉片材料。該損壞的轉(zhuǎn)輪重新?lián)Q上5個(gè)20MnSi鑄造葉片而成功修復(fù)。某轉(zhuǎn)輪與此轉(zhuǎn)輪材質(zhì)相同,另一電站有一臺整體轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)更是20MnSi、0Cr13Ni6Mo、15MnMoVCu等的組合,它們?nèi)园踩\(yùn)行了相當(dāng)長的時(shí)間。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量不均勻或機(jī)組的安裝中心線有偏差,即機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量中心與機(jī)組中心存在偏差。這樣,在機(jī)組運(yùn)行時(shí),就會產(chǎn)生水平離心力,使得機(jī)組軸系統(tǒng)發(fā)生弓狀回旋而引起機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng);水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中,由于磁拉力不平衡和三相不平衡、推力軸瓦制造不良、發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子氣隙不對稱以及定子鐵心機(jī)座合縫不嚴(yán)等原因,引起機(jī)組的振動(dòng);由于過流部件中流場的速度分布不均勻所產(chǎn)生的水壓力脈動(dòng)和水流流過某些繞流物體(如導(dǎo)葉和葉片)后,由于脫流漩渦引發(fā)的水壓力脈動(dòng),造成水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng);由于水輪機(jī)內(nèi)部的水流壓力降低到水的飽和蒸汽壓力時(shí),水體發(fā)生汽化,出現(xiàn)大量氣泡。在氣泡的不斷產(chǎn)生和凝結(jié)過程中,高速水流質(zhì)點(diǎn)像銳利的尖刀一樣周期性地打擊葉片表面,使葉片產(chǎn)生麻點(diǎn),甚至被擊穿而形成空洞,同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng);這些因素導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng),也是引起水輪機(jī)葉片裂紋和裂紋擴(kuò)大的因素之一。從某些電站轉(zhuǎn)輪開裂的裂紋看,存在錯(cuò)牙,說明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部都存在較大的內(nèi)應(yīng)力,但兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的制造廠家在轉(zhuǎn)輪整體焊接完成后都經(jīng)過了整體熱處理,顯然熱處理并沒有較好地消除內(nèi)應(yīng)力。1.2聚合式機(jī)卷內(nèi)裂紋產(chǎn)生原因及處理軸流式水輪機(jī)定槳葉片與轉(zhuǎn)槳葉片運(yùn)行工況比較,定槳葉片在非最優(yōu)工況下運(yùn)行的情況多,這樣會導(dǎo)致葉片周圍水流分布不均,引起渦流帶壓力脈動(dòng)對葉片的頻繁作用。當(dāng)水壓脈動(dòng)頻率和機(jī)組轉(zhuǎn)頻接近或相同時(shí)則出現(xiàn)共振,會加速葉片裂紋的產(chǎn)生。動(dòng)水壓力過大時(shí)相對降低了葉片的剛度,也會產(chǎn)生縱向裂紋。由于軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片為懸臂受力,葉片變截面根部若無過渡圓弧或過渡圓弧小易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。某水電站50MW軸流定槳式水輪機(jī),大修時(shí),發(fā)現(xiàn)3號機(jī)的5個(gè)葉片根部(正、背面)和正面出水邊處都有不同程度的裂紋。產(chǎn)生裂紋的主要原因是:葉片所受基本應(yīng)力較高,葉片根部有應(yīng)力集中和材料疲勞。裂紋的處理是采用堆焊加大葉片根部法蘭連接處的過渡圓角,在裂紋尾端鉆止裂孔,并對不同的裂紋采用不同形狀的坡口,按規(guī)定的工藝順序預(yù)熱補(bǔ)焊和保溫。由于機(jī)組長期低負(fù)荷、超負(fù)荷或在工況不好的振動(dòng)區(qū)運(yùn)行,會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫或加劇裂紋的發(fā)展。1.3水斗焊縫含裂紋的原因分析沖擊式水輪機(jī)水斗根部裂紋的產(chǎn)生多屬于高頻周期疲勞破壞,由于現(xiàn)代鑄造技術(shù)尚不能避免微小缺陷的產(chǎn)生,現(xiàn)代探傷技術(shù)又不能保證查出長度小于2.5mm的微裂紋及其他微小的鑄造缺陷,故對轉(zhuǎn)輪材料必須在考慮上述條件下確定出其許用應(yīng)力。水斗根部在各工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)受到一種非對稱的交變脈動(dòng)應(yīng)力作用,所以在轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮材料的疲勞強(qiáng)度,從而確定出其許用應(yīng)力。材料的疲勞強(qiáng)度是指經(jīng)過2×(106~107)交變應(yīng)力循環(huán)后不致破壞的最大應(yīng)力,而瑞垟電站2×6MW沖擊式水輪機(jī)在試運(yùn)轉(zhuǎn)2000h左右,交變應(yīng)力循環(huán)大約2×107,水斗焊縫薄弱區(qū)就產(chǎn)生了裂紋。某水輪機(jī)廠的鑄焊轉(zhuǎn)輪過去未曾發(fā)生過水斗根部焊縫較為嚴(yán)重的裂縫,現(xiàn)在由于轉(zhuǎn)輪直徑尺寸較大,在室溫下進(jìn)行原輪輻與水斗的連續(xù)焊接工藝已不適宜,是造成裂紋的主要原因。鑄鋼ZG30材料的焊接性能一般。在焊接熱循環(huán)的作用下,有較多的淬硬組織,易產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋,以冷裂紋為主。一方面,在室溫中焊接,焊縫金屬和熱影響區(qū)母材金屬的冷卻速度過快,會引起局部的塑性變形而產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力,以裂紋擴(kuò)展的形式釋放出來。另一方面,過快的冷卻速度會使馬氏體量增加,進(jìn)而加劇裂紋擴(kuò)展,且阻止了氫從焊接區(qū)域中擴(kuò)散出來而殘留在奧氏體內(nèi),產(chǎn)生氫,致裂紋。采用的焊條又非低氫焊條。其次是輪輻與斗葉為厚構(gòu)件,剛性較大,焊縫金屬和熱影響區(qū)冷態(tài)金屬將阻礙焊縫長度方向的縮短和側(cè)向的收縮而出現(xiàn)高應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)輪雖然經(jīng)過了嚴(yán)格的退火處理,卻不能完全消除在焊接過程中出現(xiàn)的裂紋和焊接應(yīng)力,故在短時(shí)間內(nèi)由于高頻周期疲勞破壞而使裂紋逐漸地展開擴(kuò)大。針對焊接、退火、靜平衡三個(gè)環(huán)節(jié),必須采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝。首先清除裂縫,用鉆孔的方法將裂縫徹底地清掃。同時(shí)鉆去裂紋兩側(cè)的金屬,使其形成U形坡口,再用風(fēng)動(dòng)砂輪將U形坡口兩側(cè)打磨光滑。然后將轉(zhuǎn)輪安放在特制的加熱保溫裝置中,在轉(zhuǎn)輪兩側(cè)裝設(shè)陶瓷電加熱器。為避免內(nèi)孔焊接時(shí)不被氧化,向該裝置通入氬氣進(jìn)行保護(hù),保護(hù)歷時(shí)貫穿焊接的整個(gè)過程。1.4動(dòng)力特性方面對比在追求高效率條件下,轉(zhuǎn)輪模型葉片越來越薄,為保證原、模型性能相似,原型葉片只能按幾何比尺放大。隨著貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的增大(6m以上),按幾何比尺放大后的轉(zhuǎn)輪葉片相對結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度降低,結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性改變(整體和局部自振頻率下降),而水輪機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、流場動(dòng)力特性方面研究滯后;在制造方面存在材料和加工缺陷;電站運(yùn)行管理落后,非斜聯(lián)運(yùn)行和頻繁變負(fù)荷(調(diào)峰),造成機(jī)組長期在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。水輪機(jī)葉片裂紋問題已經(jīng)出現(xiàn)在大中型貫流式水輪機(jī)上,成為安全運(yùn)行值得重視因素。2控制靜力的措施在運(yùn)行或檢修中如果發(fā)現(xiàn)問題,可以采取下列的改善方案:1)改善尾水管壓力脈動(dòng)的補(bǔ)氣措施。2)預(yù)防起動(dòng)過程中水力彈性振動(dòng)的補(bǔ)氣措施。3)調(diào)整(多數(shù)情況下只需微調(diào))部件固有頻率和水力激振頻率;如卡門渦列可以采取修整葉片出水邊厚度和形狀、提高卡門渦列頻率來避開共振。4)提高靜止部件(頂蓋、軸承等)的剛度。針對以上水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋狀況及形成原因的分析,提出以下幾點(diǎn)建議,供水輪機(jī)設(shè)計(jì)、制造、使用單位參考:1)設(shè)計(jì)時(shí)要在考慮水輪機(jī)效率的同時(shí)盡量減少壓力脈動(dòng)現(xiàn)象,在滿足靜強(qiáng)度要求的同時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象,另外不能忽略水輪機(jī)剛度的保證。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中,適當(dāng)?shù)卦黾尤~片的厚度和葉片與上冠、下環(huán)焊縫圓弧過渡半徑,并且采取適當(dāng)?shù)谋荛_共振區(qū)的措施。2)制造過程中,如何減少殘余應(yīng)力應(yīng)該是重點(diǎn)考慮的對象。在正常的焊接和用砂輪打磨時(shí)都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。用焊后熱處理及砂輪打磨可除去部分應(yīng)力。或是采用應(yīng)力補(bǔ)償?shù)姆椒◤氐紫琢巡课坏臍堄嗬瓚?yīng)力,從而成倍提高疲勞壽命。3)運(yùn)行時(shí)應(yīng)避免急停急開過程中產(chǎn)生的較大應(yīng)力引起裂紋產(chǎn)生,機(jī)組的起動(dòng)、停止、加負(fù)荷和卸負(fù)荷都應(yīng)逐步、緩慢進(jìn)行,防止較大振動(dòng)和較大交變應(yīng)力的產(chǎn)生。機(jī)組應(yīng)在接近設(shè)計(jì)最優(yōu)工況下運(yùn)行,避開機(jī)組振動(dòng)區(qū),避免低水頭、低負(fù)荷情況下運(yùn)行,偏離最優(yōu)工況下運(yùn)行會增加葉片的動(dòng)應(yīng)力和機(jī)組的振動(dòng)。4)改善水輪發(fā)電機(jī)組主軸中心補(bǔ)氣。大型水輪發(fā)電機(jī)組主軸中心補(bǔ)氣是減輕機(jī)組振動(dòng)的有效措施。實(shí)驗(yàn)研究表明,在振動(dòng)區(qū)只要有水輪機(jī)額定出力流量1.5%~2.5%的補(bǔ)氣量,且能夠補(bǔ)到渦帶空腔區(qū),就可以有效抑制水輪機(jī)尾水管渦帶造成的水壓脈動(dòng)。如果補(bǔ)氣量不足,不僅不能降低水輪機(jī)尾水管渦帶水壓脈動(dòng),而且還會使振動(dòng)加劇。5)在滿足系統(tǒng)要求的前提下,優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行條件,減少在低負(fù)荷工況條件下的運(yùn)行,減少機(jī)組的振動(dòng),是預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的有效方法。2.1無損探傷檢查在大修時(shí)對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行無損探傷檢查,及時(shí)處理缺陷,消除事故隱患是十分必要的。嚴(yán)重的裂紋等缺陷用肉眼和放大鏡外觀檢查即可發(fā)現(xiàn),但較細(xì)小的缺陷和內(nèi)部的缺陷用無損探傷檢查。常用的無損檢測方法有以下幾種:磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、金屬磁記憶、射線檢測等。裂紋集中的部位,由于透照布置比較困難,不能用射線透照法進(jìn)行無損探傷。根據(jù)水輪機(jī)葉片表面比較粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚度變化大的特點(diǎn),一般應(yīng)采用滲透、磁粉、超聲波和金屬磁記憶的方法進(jìn)行無損檢測。2.2錘擊和抗空蝕裂紋的處理和施焊的方法,通常采用小電流、窄焊道“鑲邊、分段、退步”焊接方式。為了消除焊接應(yīng)力,除第一道焊波和退火層外,其余焊波均應(yīng)進(jìn)行錘擊。每焊完一道焊波馬上進(jìn)行錘擊,以松弛焊接收縮應(yīng)力。為了提高工效,有時(shí)焊完一層后,統(tǒng)一錘擊。坡口焊滿后,再焊一層退火層。假若坡口位于空蝕區(qū),最后第二層采用抗空蝕焊條堆焊,表面再焊一層退火層。焊縫保暖、緩冷后,用砂輪機(jī)打磨光滑并符合裂紋所在部位的型線,再進(jìn)行觀察及探傷檢查,確實(shí)無裂紋和灰渣為止。2.3延長延伸的影響下材料會繼續(xù)延伸通常裂紋的兩端尾部內(nèi)應(yīng)力接近材料的極限強(qiáng)度,在外力或熱應(yīng)力的影響下還會繼續(xù)延伸。因此,必須在