混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施_圖文

1、混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，尤其是中、高比速混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪中的裂紋現(xiàn)象，在世界各地普遍存在。國(guó)外的例子有埃及的阿斯旺高壩、美國(guó)的大古力700MW機(jī)，俄羅斯的布拉茨克等。國(guó)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轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生原因 轉(zhuǎn)輪為什么會(huì)產(chǎn)生裂紋，人們對(duì)此做過許多研究，不時(shí)地提出一些假設(shè)。筆者把轉(zhuǎn)輪裂紋分為規(guī)律性裂紋和非規(guī)律性裂紋兩類。規(guī)律性裂紋是指不同葉片上的裂紋具有大體一致的規(guī)律，所有葉片都開裂，裂紋的部

2、位和走向也大致相同。非規(guī)律性裂紋或者只在個(gè)別葉片上發(fā)生，或者不同葉片上裂紋的部位、走向和其他特征各不相同。其產(chǎn)生的一般原因分述如下。 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，斷口呈現(xiàn)明顯的貝殼紋。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)。 1.1.1卡門渦列 (1黃壇口水電站1958年投運(yùn)的4臺(tái)HL310-LJ-230水輪機(jī)，運(yùn)行不久轉(zhuǎn)輪葉片出水邊根部即發(fā)生總計(jì)67條裂紋。后來查明，在某些水頭下，當(dāng)機(jī)組出力在58MW時(shí)，葉片出水邊卡門渦列頻率與葉片自振頻率耦合而引起共振，動(dòng)應(yīng)力急劇增加，使

3、葉片疲勞開裂。采取修整葉片出水邊厚度和形狀，提高卡門渦列頻率，避開了共振，轉(zhuǎn)輪安全運(yùn)行多年，再?zèng)]有發(fā)生問題。 (2小浪底水電站水頭范圍68141m,額定出力306MW。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)為13.5不銹鋼鑄件，葉片由13.5不銹鋼熱模壓后數(shù)控加工，再用309L奧氏體不銹鋼焊絲焊成整體。由于是異種鋼焊接，轉(zhuǎn)輪焊后不進(jìn)行消除應(yīng)力處理。為適應(yīng)電站水頭變幅大和多泥沙的運(yùn)行條件，水輪機(jī)供應(yīng)商采取了低比轉(zhuǎn)速，小的出口直徑(D2D10.88,較大的導(dǎo)葉相對(duì)高度(b0D10.236,肥大的葉片頭部，較厚的葉片出水邊(=38mm,噴涂碳化鎢和設(shè)置筒形閥等技術(shù)措施。結(jié)果在機(jī)組停機(jī)過程中，當(dāng)導(dǎo)葉全關(guān)后，由于葉片出水

4、邊太厚，轉(zhuǎn)輪中再循環(huán)水流所感生的卡門渦與葉片一、二階彎曲自振頻率耦合發(fā)生共振，引起巨大動(dòng)應(yīng)力并伴生異常聲響。在機(jī)組大負(fù)荷工況下，葉片后的卡門渦列與葉片高階(五階自振頻率耦合而引發(fā)水輪機(jī)固定部件的振動(dòng)和噪音，葉片上也產(chǎn)生較大動(dòng)應(yīng)力。將葉片出水邊修薄到7mm后，上述兩種現(xiàn)象均告消除。 1.1.2水力彈性振動(dòng) (1小浪底水電站最先投運(yùn)的6號(hào)水輪機(jī)累計(jì)運(yùn)行1330h后檢查發(fā)現(xiàn)-13個(gè)葉片出水邊近上冠處均發(fā)生貫穿性裂紋，裂紋向葉片一側(cè)延伸，走向完全相同，呈不規(guī)則拋物線狀。起裂點(diǎn)均在焊縫與葉片母材相交處的負(fù)壓面上，裂紋長(zhǎng)度不等，最長(zhǎng)達(dá)500mm以上，部分葉片裂紋有分叉。隨后投運(yùn)的5號(hào)機(jī)僅經(jīng)調(diào)試中的數(shù)十次開

5、停機(jī)即告開裂，接著4、3號(hào)機(jī)也都沒有幸免。 水輪機(jī)供應(yīng)商實(shí)測(cè)了起動(dòng)過程中葉片開裂部位的動(dòng)應(yīng)力，幅值達(dá)280MPa,頻率為12.75Hz。考慮轉(zhuǎn)輪區(qū)域60%的水體質(zhì)量，固定在推力軸承摩擦面上的軸系一階扭轉(zhuǎn)自振頻率約為13Hz。因而認(rèn)為是發(fā)電機(jī)推力軸承的摩阻過大，軸系的彈性振動(dòng)誘發(fā)了葉片上的高幅動(dòng)應(yīng)力。應(yīng)設(shè)置高壓油頂起裝置減小軸承摩擦阻力來解決葉片裂紋問題。中國(guó)專家組認(rèn)為-起動(dòng)過程中，由于葉片頭部過度肥大，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，引起葉片的高幅動(dòng)應(yīng)力。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。全面

6、采取這些措施后，起動(dòng)中的葉片動(dòng)應(yīng)力大大減小，加上出水邊修薄后，停機(jī)過程中和大負(fù)荷下動(dòng)應(yīng)力劇減，問題得到解決。 (2俄羅斯薩彥水電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)-在起動(dòng)后的810s,轉(zhuǎn)輪葉片上的動(dòng)應(yīng)力處于100MPa的高水平。這是水力彈性振動(dòng)引起葉片高幅動(dòng)應(yīng)力的又一實(shí)例。 引用網(wǎng)址：混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施-(2 (3小浪底水電站對(duì)推力軸承靜摩擦系數(shù)的多次實(shí)測(cè)表明，彈性金屬塑料瓦的靜摩擦系數(shù)隨機(jī)組停置時(shí)間的增長(zhǎng)有明顯地加大趨勢(shì)。因此，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)(例如1周以上后，再行起動(dòng)前仍以頂起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為好。 1.1.3尾水管壓力脈動(dòng) 水輪機(jī)部分工況下，尾水管中有渦帶產(chǎn)生。渦帶運(yùn)動(dòng)干擾水流而引起脈動(dòng)壓力，這種脈動(dòng)還

7、可能因渦帶空腔與水體共振而增強(qiáng)。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。薩彥水電站水輪機(jī)在196m水頭，200500MW負(fù)荷范圍內(nèi)，葉片出水邊近上冠處動(dòng)應(yīng)力峰值達(dá)35MPa(17.5MPa,相當(dāng)于最大出力下靜應(yīng)力130MPa的13.5%。另有資料表明俄羅斯克拉斯諾雅爾斯克水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在部分工況下，動(dòng)應(yīng)力達(dá)最大靜應(yīng)力的15%?？梢娢菜軌毫γ}動(dòng)能引起一定幅值的交變應(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。 1.1.4其他水力誘發(fā)因素 (1轉(zhuǎn)

8、輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片相對(duì)導(dǎo)葉的位置不斷變化，引起轉(zhuǎn)輪葉片上的環(huán)量改變。因此，作用在葉片上的力周期性地變化，形成頻率為fg=knzg60的動(dòng)應(yīng)力(k為正整數(shù)，n為水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速，Zg為導(dǎo)葉數(shù)。 (2渦殼不對(duì)稱引水導(dǎo)致沿轉(zhuǎn)輪圓周壓力場(chǎng)的不均勻而產(chǎn)生頻率fs=kn60的動(dòng)應(yīng)力。 (3引水鋼管或壓力尾水渠中的水力振蕩在轉(zhuǎn)輪上引起的交變應(yīng)力。 (4導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間水體的壓力脈動(dòng)作用在葉片上的動(dòng)應(yīng)力。 1.1.5規(guī)律性的制造原因 規(guī)律性的制造原因大多由錯(cuò)誤的工藝方法造成。例如，60年代中期某廠首批焊接轉(zhuǎn)輪，由于工藝規(guī)定不嚴(yán)謹(jǐn)，葉片焊縫全部在頭部和尾部起弧和熄弧，焊縫缺陷集中，運(yùn)行中發(fā)展成規(guī)律性裂紋。后來改進(jìn)了工藝

9、，葉片頭、尾部采取包頭焊，錯(cuò)開起弧和熄弧點(diǎn)，問題得到解決。 1.2非規(guī)律性裂紋 轉(zhuǎn)輪非規(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。 1.2.1材料 轉(zhuǎn)輪材料與裂紋的萌生和發(fā)展密切相關(guān)。 (16070年代，我國(guó)有多臺(tái)轉(zhuǎn)輪使用了ZG15MnMoVCu低合金鑄鋼。該鋼種對(duì)熱處理溫度極其敏感，工業(yè)大爐生產(chǎn)的產(chǎn)品其脆性轉(zhuǎn)變溫度很高，可焊性極差，用其制造的轉(zhuǎn)輪普遍發(fā)生嚴(yán)重裂紋，并多次發(fā)生葉片斷裂。例如，龔咀水電站3號(hào)機(jī)就曾發(fā)生過3個(gè)葉片突然斷裂事故。 (2密云水電站2號(hào)斜流水泵水輪機(jī)在一次事故中轉(zhuǎn)輪葉片全部斷裂，除其他因素外，葉片材料不良也是原

10、因之一。 1.2.2制造質(zhì)量 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。 (1江埡水電站第1臺(tái)水輪機(jī)運(yùn)行一年后，1個(gè)葉片出水邊中部發(fā)生多條裂紋，并伴有局部脫落。經(jīng)分析主要原因是鑄造質(zhì)量不良所致。 (2不少水電站轉(zhuǎn)輪裂紋都從鑄造缺陷處起裂，也有從嚴(yán)重焊縫缺陷或焊接延遲裂紋處開裂的例子。 (3其他制造缺陷諸如-葉片形線差，表面粗糙，出水邊高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)不應(yīng)有的尖棱，葉片與上冠、下環(huán)相交的過度圓角過小，或存在嚴(yán)重的鏟磨縮頭等，都可能促使轉(zhuǎn)輪裂紋生成。 此外還有制造缺陷和水力激振的聯(lián)合作用。 1.3不良的運(yùn)行方式是裂紋產(chǎn)生的催化劑 混流式水輪機(jī)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

11、因有水力不穩(wěn)定而使葉片承受較大動(dòng)荷載，促使葉片裂紋發(fā)生。因此，一方面要求開發(fā)水力性能優(yōu)良，穩(wěn)定運(yùn)行范圍盡可能寬闊的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；另一方面也要使機(jī)組盡量避開在水力不穩(wěn)定，葉片動(dòng)載荷大的區(qū)域運(yùn)行。 2裂紋處理 (1裂紋處理的關(guān)鍵是找出產(chǎn)生裂紋的根本原因，對(duì)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(dòng)應(yīng)力測(cè)試。從應(yīng)力頻譜中分解出構(gòu)成動(dòng)應(yīng)力主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。 引用網(wǎng)址：混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施-(3 (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(tái)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪曾發(fā)生過嚴(yán)重裂紋。原美

12、國(guó)阿里斯查摩公司為其更換了其中6臺(tái)。法國(guó)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(tái)。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。 許多文獻(xiàn)和專著都對(duì)成功的焊補(bǔ)工藝作過介紹，這里僅強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)。第一，要有經(jīng)過驗(yàn)證的成熟工藝，由具有專門經(jīng)驗(yàn)的焊接工程師指導(dǎo)，選擇優(yōu)秀焊工嚴(yán)格按工藝認(rèn)真完成補(bǔ)焊，同時(shí)做好焊接過程和焊后的錘擊去應(yīng)力和焊縫質(zhì)量檢查；第二，焊接材料以中等強(qiáng)度(s350MPa、高塑性的奧氏體材料為佳。 (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)的裂紋多數(shù)由高周疲勞引起，這種裂紋

13、的形成有萌生期和發(fā)展期兩個(gè)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)，一般是比較快的。 3預(yù)防措施 3.1水力設(shè)計(jì) 盡管在現(xiàn)今的技術(shù)條件下，不可能設(shè)計(jì)出沒有不穩(wěn)定水流的混流式水輪機(jī)，也不能定量的預(yù)測(cè)水輪機(jī)壓力脈動(dòng)的幅值和相應(yīng)的運(yùn)行區(qū)域，模型試驗(yàn)結(jié)果與真機(jī)之間也還沒有建立起有實(shí)用價(jià)值的換算關(guān)系。然而從宏觀角度講，好的水力設(shè)計(jì)和水輪機(jī)參數(shù)的優(yōu)化組合能夠擴(kuò)大水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，因此，針對(duì)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(gè)水力穩(wěn)定性最佳化的轉(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

14、體不銹鋼，焊材可用具有高塑性而強(qiáng)度相對(duì)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(duì)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(0.2的15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(dòng)應(yīng)力，其強(qiáng)度理應(yīng)按疲勞理論評(píng)定。當(dāng)前存在兩個(gè)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)輪上的動(dòng)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(dòng)載荷譜進(jìn)行計(jì)算。 (

15、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(huì)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(cè)，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(dòng)、停機(jī)、甩負(fù)荷等過渡過程中的動(dòng)載荷和動(dòng)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(dòng)的

16、補(bǔ)氣措施；預(yù)防起動(dòng)過程中水力彈性振動(dòng)的補(bǔ)氣措施；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的預(yù)定方案；靜止部件(頂蓋、軸承等采用較大的剛度。 除設(shè)計(jì)方面應(yīng)采取以上的措施，還應(yīng)精心制造，合理運(yùn)行。 4關(guān)于轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力問題的討論 大型混流式轉(zhuǎn)輪都是焊接結(jié)構(gòu)，其焊縫接頭形狀復(fù)雜，焊接材料填充量大，即使焊后進(jìn)行爐內(nèi)去應(yīng)力處理，轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的幅值也相當(dāng)可觀。至于不進(jìn)行焊后熱處理的異種鋼轉(zhuǎn)輪，或者在現(xiàn)場(chǎng)拼裝的分瓣轉(zhuǎn)輪，殘余應(yīng)力就會(huì)更高一些。小浪底水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪母材為馬氏體，焊材為奧氏體，焊后不熱處理，用小孔釋放法，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)實(shí)測(cè)，殘余應(yīng)力為300350MPa。某供應(yīng)商對(duì)焊料為同材質(zhì)，并經(jīng)爐內(nèi)

17、消除應(yīng)力的異種鋼轉(zhuǎn)輪實(shí)測(cè)，殘余應(yīng)力一般也在250300MPa。二灘水電站的水輪機(jī)分瓣轉(zhuǎn)輪在工地焊接并局部去應(yīng)力后測(cè)得的最大殘余應(yīng)力超過400MPa。盡管尚不清楚這些測(cè)試結(jié)果的精確程度，但焊接轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力比較高確是事實(shí)。因此有人認(rèn)為，高的殘余應(yīng)力可能是促成轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的主要原因。就13.5不銹鋼轉(zhuǎn)輪而言，如正常工況下的最大工作應(yīng)力取 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析及預(yù)防措施-(4 W110MPa(分瓣轉(zhuǎn)輪為95MPa,假如殘余應(yīng)力r=350MPa,動(dòng)應(yīng)力d=50MPa,則交變應(yīng)力循環(huán)特性=0.8。轉(zhuǎn)輪的極限峰值應(yīng)力也不超過材料屈服強(qiáng)度的下限值。這樣的殘余應(yīng)力對(duì)疲勞破壞過程有影響但不是主要因素。只

18、要轉(zhuǎn)輪不與水力激振源發(fā)生共振，且靜應(yīng)力取值較低，轉(zhuǎn)輪焊縫的殘余應(yīng)力在350MPa以下應(yīng)該是允許的。因此，一方面供應(yīng)商應(yīng)盡可能降低轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力，特別是其高應(yīng)力區(qū)的殘余應(yīng)力。另一方面業(yè)主也沒有必要對(duì)轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力提出過嚴(yán)限制。 5關(guān)于轉(zhuǎn)輪分瓣問題的討論 分瓣轉(zhuǎn)輪的葉片因被切斷，裝配后雖又焊接起來，但由于葉片傳遞的環(huán)向拉應(yīng)力主要由上冠和下環(huán)來承擔(dān)，造成葉片根部應(yīng)力的提高。因此，對(duì)分瓣面處的葉片進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)取較低的許用應(yīng)力。當(dāng)然，那種對(duì)分瓣轉(zhuǎn)輪容易產(chǎn)生裂紋的懷疑也是缺乏根據(jù)的。 6可靠性工程在混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)上的應(yīng)用 由于轉(zhuǎn)輪裂紋事故的頻頻發(fā)生和水電站調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)的日趨繁重，人們?cè)絹碓街匾?/p>

19、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行可靠性。因此，有必要對(duì)轉(zhuǎn)輪實(shí)施可靠性工程，切實(shí)抓好精心設(shè)計(jì)、精良制造、合理運(yùn)行三大環(huán)節(jié)。 6.1設(shè)計(jì) (1在水力設(shè)計(jì)上應(yīng)優(yōu)化水輪機(jī)參數(shù)，開發(fā)出穩(wěn)定性良好的轉(zhuǎn)輪。 (2對(duì)轉(zhuǎn)輪材料(含焊接接頭進(jìn)行水下疲勞和裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)，取得權(quán)威性的數(shù)據(jù)，為可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 (3進(jìn)行代表機(jī)組的葉片動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)(含起動(dòng)、停機(jī)、甩負(fù)荷等過渡過程,通過較多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，找出各種水力激振源和葉片動(dòng)應(yīng)力之間的相關(guān)關(guān)系，供設(shè)計(jì)確定動(dòng)應(yīng)力頻率和幅值參考。 (4進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算和疲勞壽命分析，并取用較低的靜應(yīng)力。 (5進(jìn)行避開共振分析。 (6對(duì)探傷允許的轉(zhuǎn)輪皮下缺陷進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性(即缺陷在應(yīng)力作用下不擴(kuò)展校核。

20、 (7預(yù)留防止裂紋的補(bǔ)救措施。 6.2制造和安裝 (1上冠、下環(huán)、葉片采用VOD或AOD精煉毛坯。 (2成熟的焊接工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，尤其要重視葉片高應(yīng)力區(qū)的質(zhì)量檢驗(yàn)。 (3研究并采取降低焊接殘余應(yīng)力的措施。 (4精密鏟磨，保證葉片與上冠、下環(huán)過渡的高應(yīng)力區(qū)各個(gè)方向都能圓滑過渡，減小應(yīng)力集中。 (5精心進(jìn)行分瓣轉(zhuǎn)輪的現(xiàn)場(chǎng)施焊、熱處理和機(jī)加工。 6.3運(yùn)行 (1投運(yùn)早期實(shí)測(cè)葉片動(dòng)應(yīng)力，結(jié)合機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)成果，確定轉(zhuǎn)輪安全運(yùn)行范圍。 (2重視起動(dòng)、增減負(fù)荷、停機(jī)和甩負(fù)荷等過渡過程中導(dǎo)葉調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇，以減小瞬變過程中可能產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力。 (3發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)盡早嚴(yán)格按焊補(bǔ)工藝處理。 7結(jié)語 (1水輪機(jī)轉(zhuǎn)

21、輪的運(yùn)行可靠性比水力性能更重要。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是轉(zhuǎn)輪可靠性的根本，對(duì)大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)實(shí)施可靠性工程。 (2葉片動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)工作很重要，宜盡早開展研究。 (3建議整體轉(zhuǎn)輪葉片最大工作應(yīng)力不超過110MPa,分瓣轉(zhuǎn)輪不超過95MPa。 (4研究降低焊接轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的實(shí)用方法。當(dāng)前條件下，若水力激振不引起葉片共振，轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力可允許在350MPa以下。 (5轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)必須重視避開共振分析。 (6制造質(zhì)量是轉(zhuǎn)輪可靠性的重要保障，應(yīng)優(yōu)選材料，精心制造，認(rèn)真檢驗(yàn)。 (7優(yōu)化運(yùn)行與轉(zhuǎn)輪可靠性密切相關(guān)，應(yīng)充分重視。一旦發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪裂紋應(yīng)盡早嚴(yán)格按焊補(bǔ)工藝處理。 紅石電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的分析及處理相關(guān)專題： 儀器

22、時(shí)間：2007-06-22 08:50 來源： 維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng) 關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)輪葉片；裂紋；分析及處理；紅石水電站 摘 要：紅石電站的50 MW軸流定槳式水輪機(jī)，大修時(shí)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)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(duì)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。? 1機(jī)組參數(shù) 白山發(fā)電廠位于吉林省樺甸市境內(nèi)，是“一廠兩壩三站”的大型水力發(fā)電廠，也是東北電網(wǎng)中最大的水電廠，在電網(wǎng)中 擔(dān)負(fù)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。該廠

23、總裝機(jī)容量1700 MW，其中白山右岸電站900 MW（3300 MW），白山左岸電站600 MW（2300 MW），紅石電站200 MW（450 MW）。紅石電站發(fā)電機(jī)組為立軸半傘式，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)是ZGoCr13Ni4Mo，型號(hào)為ZD190-LH-600。其參數(shù)為：最高水頭25.6 m；最低水頭22.8 m；額定轉(zhuǎn)速107.1 rmin；額定功率51。55 MW；設(shè)計(jì)水頭23.3 m；設(shè)計(jì)流量251 m3s；飛逸轉(zhuǎn)速240 rmin；吸出高度-4 m；最高效率91；葉片安放角8；葉片數(shù)5；水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升率50；蝸殼最大水壓值0.4 MPa；葉片法蘭直徑1 100mm；葉片法蘭端面中心距

24、800 mm；葉片法蘭把合螺釘分布圓直徑d=850 mm。 1996年紅石電站3號(hào)機(jī)組在擴(kuò)大性大修中，檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪5個(gè)葉片存在不同程度的裂紋。?2裂紋發(fā)生的部位和特征 用滲透探傷法對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)葉片裂紋情況較為嚴(yán)重，裂紋發(fā)生的部位均在葉片的根部（包括葉片正面和背面）和葉片正面的出水邊處。裂紋的部位、長(zhǎng)度、深度等情況見圖1所示。?3裂紋產(chǎn)生的原因分析 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(huì)導(dǎo)致葉片周圍水流分布不均，引起渦流帶壓力脈動(dòng)對(duì)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(huì)加速葉片裂紋的產(chǎn)生。動(dòng)水壓力過大時(shí)相對(duì)降低了葉片的剛

25、度，也會(huì)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量小易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。通過對(duì)3號(hào)機(jī)葉片的檢查，根部和出水邊產(chǎn)生裂紋的重要原因之一是應(yīng)力集中。為了校核機(jī)組葉片在運(yùn)行中的強(qiáng)度，電廠與制造廠家協(xié)作，進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度理論計(jì)算。通過對(duì)紅石軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片各工況下的受力大小比較，其中，在額定轉(zhuǎn)速最大水頭工況下計(jì)算出的最大應(yīng)力max=115 MPa，是出現(xiàn)在葉片正面出水邊一側(cè)與根部法蘭連接處。重力、離心力和水壓力3種載荷聯(lián)合作用下葉片的應(yīng)力分布情況見圖2。3種載荷作用下葉片的變形見圖3。轉(zhuǎn)輪葉片最大變形出現(xiàn)在葉片出水邊外側(cè)，max=21.9 mm。重力、

26、離心力、水壓力分別作用及這3種載荷聯(lián)合作用的4種工況下葉片的最大動(dòng)應(yīng)力max和最大變形umax見表1。 從表1可以看出：水壓力是葉片所受載荷中的最主要載荷，3種載荷同時(shí)作用時(shí)比水壓力單獨(dú)作用的最大應(yīng)力稍有下降。機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉片的最大應(yīng)力max=115 MPa，出現(xiàn)應(yīng)力大的部位易產(chǎn)生裂紋，這與各葉片實(shí)際裂紋集中出現(xiàn)的位置相一致。 另外，轉(zhuǎn)輪葉片的材料為ZG0Cr13Ni4Mo不銹鋼，這種材質(zhì)的屈服極限為s=665 MPa，水中疲勞極限為-1=171 MPa。經(jīng)過計(jì)算，轉(zhuǎn)輪葉片最大應(yīng)力max=115 MPa雖然遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，也低于疲勞極限，但這一應(yīng)力是靜應(yīng)力，不包括動(dòng)應(yīng)力成分。該機(jī)組是軸流

27、定槳式，不象軸流轉(zhuǎn)槳式那樣在協(xié)聯(lián)工況下運(yùn)行，因此其動(dòng)應(yīng)力較大。再加上機(jī)組振動(dòng)較大，葉片實(shí)際存在的應(yīng)力是比較大的。 由此可見，由于轉(zhuǎn)輪葉片基本應(yīng)力較高和軸流定槳式轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行時(shí)的動(dòng)應(yīng)力較大，這將會(huì)使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在受懸臂負(fù)荷的情況下轉(zhuǎn)輪葉片根部應(yīng)力集中，造成轉(zhuǎn)輪葉片根部與法蘭連接處（包括正面和背面）出現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)輪葉片正面出水邊一側(cè)也產(chǎn)生裂紋。 由于機(jī)組長(zhǎng)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(huì)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。紅石電站的定槳式機(jī)組投產(chǎn)后機(jī)組在空載和低負(fù)荷工況振動(dòng)較大，空載工況嚴(yán)重時(shí)機(jī)組主軸法蘭處擺度嚴(yán)重超標(biāo)，高達(dá)4 mm。水輪機(jī)工作部位聲響振動(dòng)較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)

28、得，水輪機(jī)在空載工況水流通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流道時(shí)，水流中產(chǎn)生了一個(gè)擾動(dòng)頻率59.6 Hz正好接近機(jī)組軸系的一階固有頻率60 Hz，因而出現(xiàn)了合拍現(xiàn)象，產(chǎn)生共振。這些問題的存在促使了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生。 通過以上的分析，認(rèn)為紅石電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因是：機(jī)組運(yùn)行中的懸臂轉(zhuǎn)輪葉片根部應(yīng)力集中，葉片所受的基本應(yīng)力較高，加之各種載荷的聯(lián)合作用時(shí)的動(dòng)應(yīng)力較大，葉片所受交變動(dòng)應(yīng)力在共振工況下不斷加劇，材料疲勞，致使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋。?4裂紋的處理 對(duì)3號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片檢查出的裂紋的部位、形狀、長(zhǎng)度及可能繼續(xù)發(fā)展的方向進(jìn)行了全面的分析，并采取針對(duì)性措施對(duì)葉片裂紋進(jìn)行修復(fù)，在葉片修復(fù)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行修復(fù)方案

29、和遵守焊接工藝。為加強(qiáng)葉片根部的強(qiáng)度，用堆焊的方法有意加大葉片正面出水邊一側(cè)與根部法蘭連接的過度圓角的“R”值；為阻止裂紋的延伸，在裂紋的尾部鉆止裂孔等措施進(jìn)行全面處理。 (1由于裂紋的尾部?jī)?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(huì)繼續(xù)延伸。因此，在清除裂紋前需在裂紋的紋尾部位打止延孔截?cái)嗔鸭y，阻止裂紋的延伸。鉆直徑為8 mm的孔，一般孔深比裂紋深度大46 mm。 (2裂紋的鏟除采用速度快、操作簡(jiǎn)便的碳弧氣刨刨除裂紋的方法，防止因刨除裂紋時(shí)因溫度影響原裂紋的延伸，應(yīng)由止裂孔處向裂紋反方向清除裂紋，直到去除裂紋為止。為了防止過熱引起變形和裂紋擴(kuò)展，碳弧氣刨必須間斷使用。同時(shí)開出補(bǔ)焊的坡口，坡口的形式主要根據(jù)裂紋情況、部位和鏟除及施焊方便而定(見圖4。凡未穿透的裂紋，深度在30 mm以內(nèi)的可開“V”形坡口(見圖4a；深度在30 mm以上的可開“U”形坡口(見圖4b；靠近