萬家寨水電站1#4#發(fā)電機(jī)組輪輪機(jī)裂紋分析

萬家寨水電站1#4#發(fā)電機(jī)組輪輪機(jī)裂紋分析

萬家寨水庫位于黃河北航道托克托-龍口段。該站配備了6.180噸混流式發(fā)電裝置。其中1#～4#水輪機(jī)由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司制造,5#、6#水輪機(jī)由上海?？扑娫O(shè)備公司制造。首臺機(jī)組1#機(jī)于1998年10月28日投產(chǎn),最后一臺機(jī)組5#機(jī)組于2000年12月15日投產(chǎn)。電站承擔(dān)山西、內(nèi)蒙古西部電網(wǎng)內(nèi)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。二、水輪機(jī)基本參數(shù)(表1)三、轉(zhuǎn)輪裂紋及現(xiàn)象萬家寨水電站1#水輪發(fā)電機(jī)組1998年11月28日投產(chǎn)發(fā)電,2002年4月中旬1#機(jī)小修,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片有裂紋,隨后將所有機(jī)組都進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)2#、3#、4#水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片也存在大量裂紋,6#機(jī)有少量裂紋,5#機(jī)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。轉(zhuǎn)輪葉片裂紋詳細(xì)情況見表2。四、轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因有設(shè)計、制造、安裝、運行多方面的因素。對已制造好的轉(zhuǎn)輪,不能得到原始的質(zhì)量控制,只能用假設(shè)和排除法找裂紋原因。電站邀請專業(yè)單位進(jìn)行了以“消除轉(zhuǎn)輪裂紋、改善機(jī)組運行特性,提高機(jī)組運行穩(wěn)定性”為目標(biāo)的分析與研究。1.材質(zhì)問題首先考慮轉(zhuǎn)輪的材質(zhì),萬家寨水電站1#～4#機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)材料為抗磨蝕性能良好的ZG0Cr16Ni5Mo,葉片材料為超低碳ZG00Cr16Ni5Mo,此材料具有高強(qiáng)度、耐磨蝕和抗水下疲勞的優(yōu)點,而且焊縫經(jīng)過熱處理后其殘余應(yīng)力保持在最低水平。葉片與上冠、下環(huán)焊接采用G357M、G357焊條及HL367L焊絲等焊材達(dá)到實現(xiàn)同材質(zhì)焊接目的。對2#機(jī)葉片靠近在上冠出水邊處裂紋(葉身側(cè)斷口的起裂一側(cè)的平斷口)取樣,經(jīng)國家鋼鐵材料測試中心進(jìn)行化學(xué)成分和機(jī)械性能分析結(jié)果為:化學(xué)成分及沖擊韌性和硬度、抗拉強(qiáng)度均滿足材料ZG00Cr16Ni5Mo的標(biāo)準(zhǔn)。2.鑄造缺陷及焊接缺陷鑄造氣孔、鑄造砂眼等在外部應(yīng)力的作用下可能會成為裂紋源,造成裂紋的產(chǎn)生。由于轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的厚度相差大,在冷卻過程中易產(chǎn)生縮孔、疏松等,鑄焊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)輪,若焊接工藝不當(dāng)或焊工沒有按照焊接工藝的要求進(jìn)行焊接,在焊縫及熱影響區(qū)也會出現(xiàn)裂紋。在對1#～4#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的檢查中,發(fā)現(xiàn)主要裂紋都發(fā)生在葉片出水邊和上冠的相交處靠近焊縫的地方,見圖1、2。但鑄造缺陷并沒有引發(fā)裂紋。例如,1#機(jī)的L號葉片上原有兩個鑄造缺陷,相距40mm,葉片產(chǎn)生裂紋后,將2個氣孔刨開,發(fā)現(xiàn)氣孔并沒有引發(fā)裂紋,其他轉(zhuǎn)輪上的鑄造缺陷內(nèi)也沒有發(fā)現(xiàn)引發(fā)裂紋的現(xiàn)象。1#機(jī)的裂紋都發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū),焊接質(zhì)量也可能是導(dǎo)致裂紋的原因,但國家鋼鐵材料測試中心對2#機(jī)焊接區(qū)取樣進(jìn)行分析,從金相組織中并沒有觀察到焊缺陷,所以焊接質(zhì)量并不是造成裂紋的主要原因。3.應(yīng)力集中采用有限元計算分析得出,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)度理論計算的相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊的分布。并且轉(zhuǎn)輪葉片存在4個高應(yīng)力區(qū),位置分別在葉片進(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和葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。廠家通過轉(zhuǎn)輪局部模型的有限元計算,集中應(yīng)力區(qū)最大發(fā)生在轉(zhuǎn)輪過渡圓角,得出在額定工況下的最大綜合應(yīng)力峰值為315Mpa,最大主拉應(yīng)力峰值為330Mpa,通過對未發(fā)生裂紋葉片測試分析,發(fā)現(xiàn)在葉片背面與上冠連接處,出水邊一側(cè)存在較高的殘余拉應(yīng)力,其值達(dá)395Mpa,接近材料的屈服極限。轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生在上冠出水邊和下冠出水邊處,形狀相似,見圖1、2。測試驗證了該處應(yīng)力集中是裂紋引發(fā)的主要原因。4.運行上的原因轉(zhuǎn)輪在機(jī)組啟停,長期低負(fù)荷、超負(fù)荷或在振動區(qū)運行會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋或裂紋情況加劇,對此進(jìn)行了分析判斷。萬家寨水電站是山西和內(nèi)蒙西部電網(wǎng)內(nèi)唯一一座大型水電站,電網(wǎng)峰荷比較缺乏,萬家寨水電站擔(dān)任兩網(wǎng)的調(diào)峰和潮流調(diào)整任務(wù),所以各臺機(jī)組的負(fù)荷情況總體比較差。首先,萬家寨水電站負(fù)責(zé)山西電網(wǎng)與華北電網(wǎng)(京津唐地區(qū))間網(wǎng)絡(luò)線的潮流調(diào)整,要保證潮流合格率,機(jī)組出力必須隨著系統(tǒng)潮流、頻率的變化及時進(jìn)行調(diào)整,平均5min左右要調(diào)整機(jī)組一次負(fù)荷,機(jī)組很難長時間在穩(wěn)定、高效區(qū)運行。其次,為做好系統(tǒng)的迎峰和事故備用,機(jī)組常帶較低負(fù)荷做旋轉(zhuǎn)備用。受以上影響,萬家寨水電站機(jī)組的平均負(fù)荷率及運行效率均較低,機(jī)組運行工況偏離設(shè)計工況。機(jī)組運行與裂紋關(guān)系統(tǒng)計情況見表3。從機(jī)組運行統(tǒng)計表來看:機(jī)組總運行小時數(shù)與裂紋數(shù)目沒有關(guān)系。隨著開停機(jī)次數(shù)的增加,轉(zhuǎn)輪裂紋沒有增加,證明裂紋與開停機(jī)沒有關(guān)系。根據(jù)天阿公司繪制的機(jī)組部分負(fù)荷區(qū)和兩個亞區(qū)域運行統(tǒng)計小時數(shù)來看,機(jī)組在所有水頭部分負(fù)荷運行小時數(shù)與裂紋數(shù)目沒有關(guān)系;機(jī)組在大于72m水頭區(qū)域部分較低負(fù)荷(負(fù)荷小于160MW),運行時間的增加,轉(zhuǎn)輪裂紋增加;在最壞估計的動態(tài)應(yīng)力區(qū)(水頭為69～72m時,負(fù)荷為80～100MW;水頭大于72m時,負(fù)荷為40～140MW運行)隨著運行時間的增加,轉(zhuǎn)輪裂紋增加,證明轉(zhuǎn)輪裂紋與機(jī)組在高水頭部分較低負(fù)荷工況下運行有關(guān)。5.水壓脈動與葉片低階自振形成共振裂紋發(fā)生后,委托天津水利水電勘測設(shè)計院做轉(zhuǎn)輪葉片模態(tài)試驗。試驗結(jié)果表明,水輪機(jī)在低負(fù)荷區(qū)高強(qiáng)度、寬頻帶水壓脈動,與轉(zhuǎn)輪葉片若干階自振頻率特別是低階形成的共振為轉(zhuǎn)輪裂紋的根源。綜合以上分析,轉(zhuǎn)輪裂紋主要在于轉(zhuǎn)輪局部應(yīng)力集中,在應(yīng)力的作用下疲勞擴(kuò)展,導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。機(jī)組在高水頭低負(fù)荷區(qū)運行和水壓脈動與轉(zhuǎn)輪葉片低階形成共振,大大加重機(jī)組裂紋生成和發(fā)展速度。五、處理方法1.修復(fù)裂紋,滿足轉(zhuǎn)輪出廠驗收要求經(jīng)PT著色探傷及UT超聲波探傷,確認(rèn)裂紋區(qū)域,從裂紋端部起80mm的區(qū)域內(nèi)全部清除,做好坡口。采用的補焊工藝和轉(zhuǎn)輪組焊時相同,焊后打磨平整并經(jīng)PT著色探傷檢驗。2.補焊三角體,降低該點的設(shè)計應(yīng)力機(jī)組大修時在葉片靠上冠出水邊處加焊100mm×150mm與葉片母材相同的不銹鋼三角塊,見圖3。根據(jù)計算,可將該處的額定工況下最大綜合應(yīng)力峰值由315Mpa降到182Mpa,最大主拉應(yīng)力峰值由330Mpa降到187Mpa。3.改善運行方式,提高機(jī)組運行穩(wěn)定性委托天津設(shè)計院和清華大學(xué)做機(jī)組真機(jī)測試,繪制了真機(jī)運行特性曲線,將運行區(qū)域劃分為禁止運行區(qū)、過渡運行區(qū)、穩(wěn)定運行區(qū),更直觀地反映出機(jī)組運行適用區(qū)間,使值班人員在機(jī)組運行工況較差時,及時與兩網(wǎng)調(diào)度溝通,減少機(jī)組在禁止運行區(qū)運行時間。4.改善大軸補氣效果電站1#～4#機(jī)組設(shè)計為大軸中心孔自然補氣,管徑為Φ250mm,通過實測發(fā)現(xiàn)補氣效果較差,分析原因為補氣管直徑太小,計劃將直徑擴(kuò)大到Φ450mm,將取得良好的效果,目前機(jī)組大修時已全部實施。六、結(jié)束語萬家寨水電站對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行修復(fù)處理及上述預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋的措施后,通過近四年的運行,各臺機(jī)組進(jìn)行小修,僅發(fā)現(xiàn)4#機(jī)有2條裂紋,裂紋的起始點是三角塊的焊縫處。其