瀾滄江流域大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩裂紋綜合防控技術(shù)研究

瀾滄江流域大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩裂紋綜合防控技術(shù)研究

0機(jī)組運(yùn)行中頻繁產(chǎn)生的裂紋漢江河能源氣站被列為“中國(guó)13個(gè)水電氣站規(guī)劃”的第7個(gè)。江江流域云南段規(guī)劃建設(shè)年建筑面積約2600萬(wàn)噸kw。隨著瀾滄江流域大型水輪發(fā)電機(jī)組逐步投運(yùn),水輪機(jī)組逐步暴露出一些影響機(jī)組安全運(yùn)行的共性問(wèn)題,其中,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行中頻繁產(chǎn)生裂紋是目前已投運(yùn)機(jī)組最為突出問(wèn)題。截止到2012年12月31日,瀾滄江云南段已投產(chǎn)的30臺(tái)大型水輪發(fā)電機(jī)組中,共檢查發(fā)現(xiàn)26臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋,裂紋最長(zhǎng)達(dá)1300mm。目前,大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪普遍采用ZG00Cr13Ni4Mo和ZG00Cr13Ni5Mo等新材料制造,可減緩轉(zhuǎn)輪空蝕,但這些新材料的應(yīng)用帶來(lái)的問(wèn)題便是機(jī)組投入運(yùn)行后轉(zhuǎn)輪頻繁產(chǎn)生裂紋。本文通過(guò)對(duì)瀾滄江流域已投產(chǎn)大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋的檢測(cè)、檢驗(yàn)、運(yùn)行調(diào)整試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析,探索轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率分布規(guī)律和水輪機(jī)避振運(yùn)行技術(shù),從轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪檢修、機(jī)組運(yùn)行控制等軟硬件方面,歸納整理切實(shí)可行的大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋綜合防控技術(shù),為瀾滄江流域和其它流域即將投產(chǎn)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋防控工作提供技術(shù)儲(chǔ)備,減緩或杜絕大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生裂紋。1冠母材上裂紋對(duì)瀾滄江流域已投產(chǎn)的大型水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋進(jìn)行檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)、分析。多數(shù)轉(zhuǎn)輪裂紋為垂直于葉片出水邊的貫穿性裂紋,少數(shù)為上冠母材上的非貫穿性裂紋。運(yùn)行后產(chǎn)生的裂紋,集中出現(xiàn)在3個(gè)區(qū)域。第一個(gè)區(qū)域是葉片與上冠連接的出水邊焊縫上或焊縫熱影響區(qū)上,共160條,占轉(zhuǎn)輪裂紋的62%,裂紋最長(zhǎng)達(dá)480mm。第二個(gè)區(qū)域是葉片與下環(huán)連接的出水邊焊縫上或焊縫熱影響區(qū)上,共96條,占轉(zhuǎn)輪裂紋的37.2%,裂紋最長(zhǎng)達(dá)1300mm。第三個(gè)區(qū)域是葉片出水邊中部,共2條,占轉(zhuǎn)輪裂紋的0.8%。2運(yùn)行方面的原因造成轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展的原因是多方面的,既有制造、安裝方面的原因,如鑄造、焊接、熱處理等工序引發(fā)的內(nèi)部缺陷、殘余應(yīng)力集中,又有設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面的原因,如轉(zhuǎn)輪葉型、尺寸參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等造成的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中、機(jī)組共振等,在機(jī)組運(yùn)行中,上述幾個(gè)方面因素對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展起著共同作用。但根據(jù)統(tǒng)計(jì)的大量轉(zhuǎn)輪裂紋出現(xiàn)的規(guī)律來(lái)看,結(jié)構(gòu)性應(yīng)力集中、機(jī)組共振是轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的兩個(gè)最重要的因素,要想降低裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展概率,須從上述兩個(gè)方面入手進(jìn)行控制,因此,本文的轉(zhuǎn)輪裂紋防控技術(shù)也將著重從這兩個(gè)方面來(lái)探討。3關(guān)于旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的預(yù)防和準(zhǔn)備3.1輪模型各部件應(yīng)力分布為了掌握轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力分布情況,利用有限元分析軟件計(jì)算混流式水輪機(jī)葉輪模型各構(gòu)件不同位置的應(yīng)力,計(jì)算出不同運(yùn)行工況下混流式葉輪模型各部件應(yīng)力分布。葉輪模型選擇某電廠裂紋最嚴(yán)重的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,針對(duì)該轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水力狀況,用有限元分析軟件計(jì)算轉(zhuǎn)輪各部件不同位置的應(yīng)力值,計(jì)算得到在正常工況和飛逸工況下水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上各部位應(yīng)力從大到小的分布順序是:葉片出水邊與下環(huán)連接區(qū)域,葉片與上冠中部連接區(qū)域、葉片出水邊與上冠的連接部位、葉片出水邊中下部。其正常工況和飛逸工況下的應(yīng)力分布見(jiàn)圖1、圖2所示。3.2葉片固有頻率試驗(yàn)選擇某電廠裂紋最嚴(yán)重的兩臺(tái)同規(guī)格的機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行葉片固有頻率試驗(yàn)。其中#5機(jī)組為葉片加裝大三角塊的轉(zhuǎn)輪、#2機(jī)組為葉片未加裝大三角塊的轉(zhuǎn)輪。1固有頻率試驗(yàn)結(jié)果表1為某電廠#2、5機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)附近固有頻率試驗(yàn)結(jié)果(下環(huán)與出水邊連接處為原點(diǎn),沿出水邊為X軸,逆水方向?yàn)閅軸。葉片順序:從上往下看逆時(shí)針)2固有頻率試驗(yàn)結(jié)果表2為某電廠#2、#5機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片上冠附近固有頻率試驗(yàn)結(jié)果(上冠與出水邊連接處為原點(diǎn),沿出水邊為X軸,逆水方向?yàn)閅軸。葉片順序:從上往下看逆時(shí)針)。3相同葉片的固有頻率從兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率試驗(yàn)結(jié)果看,不論葉片是否加裝大三角塊,對(duì)同一轉(zhuǎn)輪而言,不同葉片在相同位置具有不同的固有頻率,而同一葉片在不同部位也具有不同的固有頻率。5#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片加裝大三角塊后,上冠處的固有頻率與沒(méi)有加裝大三角塊的2#機(jī)不同。由此可見(jiàn),大型水輪機(jī)葉片具有復(fù)雜的多階固有頻率特性,并且各局部具有不同的固有頻率特性,因此,在機(jī)組運(yùn)行中要注意避開容易引起葉片局部共振頻率的負(fù)荷區(qū)間。3.3率機(jī)組葉片多階固有頻率特性特點(diǎn)1)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠連接處加裝大三角塊根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力計(jì)算和計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果,轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與上冠連接處為應(yīng)力較高區(qū)域,且該區(qū)域?yàn)闉憸娼饔蛩Πl(fā)電機(jī)組裂紋頻發(fā)區(qū)域。對(duì)葉片扭曲較大的高效率機(jī)組葉片,在葉片出水邊與上冠連接處加裝邊長(zhǎng)為300mm的等邊三角形大三角塊,增加葉片連接強(qiáng)度、減小應(yīng)力集中、避開葉片易共振固有頻率,使葉片出水邊與上冠連接處的裂紋明顯減少。2)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊減薄并圓滑過(guò)渡根據(jù)葉片固有頻率試驗(yàn)結(jié)果,相同型號(hào)、相同規(guī)格水輪機(jī)葉片的相同位置,具有不同的多階固有頻率。同一水輪機(jī)葉片的不同部位具有不同的多階固有頻率。大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片具有復(fù)雜的多階固有頻率特性,易在振動(dòng)等外界因素誘導(dǎo)下,形成葉片局部區(qū)域共振,造成葉片疲勞斷裂。根據(jù)葉片出水邊厚度,以出水邊為起點(diǎn),在30-50mm范圍內(nèi)將整片葉片出水邊減薄并圓滑過(guò)渡,可降低卡門渦造成的葉片疲勞斷裂。3.4葉片出水邊區(qū)域結(jié)合機(jī)組檢修,對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全面宏觀檢查,發(fā)現(xiàn)可疑跡象,及時(shí)用滲透檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行復(fù)查。對(duì)葉片出水邊與下環(huán)連接區(qū)域、葉片與上冠中部連接區(qū)域、葉片出水邊與上冠的連接部位、葉片出水邊中下部等裂紋高發(fā)區(qū)域進(jìn)行100%滲透檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)裂紋,嚴(yán)格按制造廠提供的裂紋處理工藝進(jìn)行修復(fù),防止裂紋擴(kuò)展。發(fā)現(xiàn)有弧坑、凹坑等損傷及時(shí)打磨并圓滑過(guò)渡,減小應(yīng)力集中程度和消除疲勞源。4在重視能源系統(tǒng)的運(yùn)行和控制中，車輪破裂率的防控4.1振動(dòng)特性與機(jī)組運(yùn)行的控制關(guān)系的探討1機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)分別選擇容量為350MW和700MW且頻繁出現(xiàn)裂紋的機(jī)組各一臺(tái),結(jié)合機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn),探索機(jī)組不同負(fù)荷下水輪機(jī)頂蓋和尾水脈動(dòng)壓力的變化情況,見(jiàn)圖3至圖8。2機(jī)組振動(dòng)幅值及頻率特征某350MW機(jī)組頂蓋在50~200MW負(fù)荷區(qū)振動(dòng)明顯,其最大值達(dá)197.4μm,當(dāng)負(fù)荷超過(guò)200MW后振動(dòng)明顯減小,最大值為49.7μm,最小值為8.9μm。當(dāng)負(fù)荷超過(guò)200MW后,頂蓋振動(dòng)處在GB/T6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)》第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組所規(guī)定的A/B區(qū)范圍內(nèi),可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行;從機(jī)組的蝸殼水壓和尾水水壓脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析,當(dāng)機(jī)組處于50~180MW之間時(shí),蝸殼水壓脈動(dòng)有明顯的變化,其最大值為144.2kPa,尾水水壓脈動(dòng)最大值為12.7kPa。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷超過(guò)180MW后,蝸殼水壓脈動(dòng)基本處于29kPa以下。某700MW機(jī)組下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)幅值在空載至260MW時(shí)為45μm左右;260MW至400MW的機(jī)組振動(dòng)區(qū)內(nèi)分別有最大值71μm和72μm;420MW至650MW時(shí)下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)幅值均在50μm左右,處于GB/T6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)》第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組所規(guī)定的B/C區(qū)范圍內(nèi),可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。上機(jī)架振動(dòng)幅值全負(fù)荷均處于GB/T6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測(cè)量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng)》第5部分:水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組所規(guī)定的C/D區(qū)范圍內(nèi)。從機(jī)組的蝸殼水壓和尾水水壓脈動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)看,隨著機(jī)組負(fù)荷增加,機(jī)組的蝸殼水壓和尾水水壓總體呈逐步降低趨勢(shì)。圖7、圖8分別為350MW及700MW機(jī)組頂蓋振動(dòng)最大的負(fù)荷(分別為120MW和280MW)對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻譜分析圖。從頻譜分析圖中可以看出,350MW機(jī)組和700MW機(jī)組在頂蓋振動(dòng)最大的振動(dòng)頻率均屬于低頻振動(dòng)范圍(<3Hz),機(jī)組振動(dòng)頻率相較于轉(zhuǎn)輪葉片測(cè)量到的固有頻率無(wú)重疊范圍,機(jī)組運(yùn)行期間可避免葉片共振的發(fā)生。4.2規(guī)避是否執(zhí)行避振是否運(yùn)行的影響因素逐臺(tái)進(jìn)行水輪機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn),根據(jù)水輪機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果,科學(xué)制定含有避振運(yùn)行負(fù)荷區(qū)間、不宜長(zhǎng)期運(yùn)行負(fù)荷期間等內(nèi)容的避振運(yùn)行措施并嚴(yán)格執(zhí)行,使機(jī)組避開振動(dòng)較大的負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行,避免因機(jī)組劇烈振動(dòng)誘發(fā)的葉片局部區(qū)域共振,降低葉片疲勞斷裂概率。5防治葉片裂紋方面本研究之前就對(duì)瀾滄江流域多個(gè)水輪機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片斷裂部位取樣分析,分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)造成葉片斷裂的主要原因是由于葉片應(yīng)力水平較大的部位在運(yùn)行中受到振動(dòng)而導(dǎo)致該部位產(chǎn)生疲勞裂紋,裂紋逐步擴(kuò)大進(jìn)而發(fā)生斷裂,未發(fā)現(xiàn)因葉片受到應(yīng)力超過(guò)材料本身的應(yīng)力強(qiáng)度水平而發(fā)生的過(guò)應(yīng)力斷裂現(xiàn)象。由此判斷,該流域水輪機(jī)組葉片斷裂原因是由于葉片局部振動(dòng)而產(chǎn)生的疲勞斷裂。從前述分析可以看出,防治葉片裂紋產(chǎn)生可以從下述方面入手:1在葉片出水邊加裝大三角塊改變?nèi)~片的固有頻率特性,增強(qiáng)葉片連接強(qiáng)度,降低裂紋產(chǎn)生幾率;3執(zhí)行嚴(yán)格的運(yùn)行控制措施,避免機(jī)組在振動(dòng)劇烈負(fù)荷區(qū)間長(zhǎng)期運(yùn)行,減少振動(dòng)導(dǎo)致的葉片裂紋。通過(guò)云南瀾滄江流域大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋綜合整治研究工作,在電力研究機(jī)構(gòu)、制造廠、檢修單位、運(yùn)行管理單位的合作下,從轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪檢修、機(jī)組運(yùn)行控制等軟硬件方面,探討瀾滄江流域大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋綜合防控技術(shù),并在該流域機(jī)組上應(yīng)用,轉(zhuǎn)輪裂紋顯著減少,大部分機(jī)組已經(jīng)杜絕裂紋的產(chǎn)生。當(dāng)然,水輪轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生原因較復(fù)雜,不同流域、不同類型的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋防控措施會(huì)有差異,應(yīng)結(jié)合機(jī)組具體情況進(jìn)行分析總結(jié)。葉片各區(qū)域的振動(dòng)頻率測(cè)量能真實(shí)的反映出