葉片裂紋原因分析及處理措施

葉片裂紋原因分析及處理措施

1機(jī)械或機(jī)械重復(fù)使用機(jī)械劉家峽水電工廠1#收割機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)，型號為hl430-lj-550，固定重量為25mw，固定重量為125r。最小，飛燃速度為250r。最小，固定重量為100m，最大最大重量為14m，最大重量為70m。高度-2米，采用軸向自然補(bǔ)氣法。2002年劉家峽水電廠1#水輪機(jī)進(jìn)行了增容改造,改造所用水輪機(jī)設(shè)備由上海?？乒旧a(chǎn),型號為HLS60-574,轉(zhuǎn)輪為分瓣式結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ZG0Gr13Ni5Mo,13個(gè)“X”型葉片。轉(zhuǎn)輪葉片由福伊特總公司巴西分公司圣保羅工廠鑄造、加工,在上海工廠完成了上冠、下環(huán)與葉片的組焊,在劉家峽水電廠廠房完成了分半轉(zhuǎn)輪的組焊。增容改造后水輪機(jī)額定容量為265MW。2距離的區(qū)域見表1增容改造后,1#水輪機(jī)于2002年3月投入商業(yè)化運(yùn)營,在之后的數(shù)次檢修中轉(zhuǎn)輪葉片均出現(xiàn)不同程度的裂紋,裂紋主要出現(xiàn)在兩個(gè)部位:一個(gè)部位是葉片下環(huán)根部出水邊焊縫附近區(qū)域;另一個(gè)部位是葉片正面和背面靠出水邊或離出水邊有一定距離的區(qū)域(以下簡稱葉片中間部位)。以2003年7月檢修(投運(yùn)后第二次檢修)情況為例,投運(yùn)時(shí)間為6724h,共發(fā)現(xiàn)葉片穿透性裂紋13條,微裂紋31條。其中11#葉片中部穿透性裂紋最為嚴(yán)重,長達(dá)420mm,裂紋間隙3.5mm,錯(cuò)牙3mm,13#葉片與下環(huán)連接焊縫部位穿透性裂紋長達(dá)200mm。1#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況見表1。從轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)次裂紋情況看,裂紋主要集中在兩個(gè)區(qū)域,即轉(zhuǎn)輪葉片中間部位和轉(zhuǎn)輪出水邊與下環(huán)連接部位。據(jù)統(tǒng)計(jì),葉片中間部位裂紋占裂紋總數(shù)的80%。從裂紋的發(fā)展趨勢看,在前兩次檢修中裂紋很嚴(yán)重,之后隨著檢修次數(shù)的增加,尤其在加大葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)結(jié)處的過渡圓角及采取針對卡門渦的葉片出水邊修型后,裂紋呈現(xiàn)出逐漸減少、減輕的趨勢。3葉片鑄造缺陷從葉片正壓面及負(fù)壓面的著色探傷檢測分析,1#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片負(fù)壓側(cè)存在大面積的點(diǎn)狀鑄造缺陷,直徑為1~5mm不等。點(diǎn)狀缺陷位于轉(zhuǎn)輪葉片的中間部位,距離出水邊200~400mm不等。該點(diǎn)狀缺陷面積約占葉片總面積的15%~20%。4噪聲隨負(fù)荷的變化特性在變負(fù)荷工況由甘肅電力科學(xué)研究院測試人員對蝸殼人孔門和水車室的噪聲進(jìn)行了測試。從測試結(jié)果看,蝸殼人孔門和水車室的噪聲值——負(fù)荷特性曲線變化規(guī)律基本一致;在60~70MW時(shí)噪聲值達(dá)到最大,在160MW時(shí)噪值最小,在160MW后單調(diào)增加(圖見1)。這說明在160MW以下時(shí),低頻段噪聲是主因;在160MW以上時(shí),新出現(xiàn)的高頻段噪聲是主因。頻譜測量結(jié)果顯示:引起噪聲的頻段,隨著負(fù)荷的變化,也出現(xiàn)了明顯的變化(見表2)。其特點(diǎn)是:隨著負(fù)荷的增加,噪聲主頻的頻率分布也發(fā)生了變化。在140MW以下時(shí),主要有三個(gè)區(qū)域:21~23Hz、40~160Hz、200~340Hz,主頻為22Hz(或208Hz)。而在160MW以上時(shí),主要分為四個(gè)區(qū)域:21~23Hz、40~160Hz、200~340Hz、350~540Hz,主頻表現(xiàn)在350~540Hz;隨著負(fù)荷的升高,主頻向高頻方向發(fā)展,頻段也向高頻方向移動;并且350~540Hz范圍的頻率逐漸成為主頻段。5焊縫周邊大量裂紋混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋通常發(fā)生在葉片出水邊靠近上冠或下環(huán)的焊縫附近。但象劉家峽水電廠1#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊中部大量裂紋的現(xiàn)象并不多見。1#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的原因涉及到轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)輪葉片的材質(zhì)、鑄造及加工工藝、運(yùn)行工況、水力特性等方面。5.1鑄造缺陷方面針對轉(zhuǎn)輪葉片裂紋部位取樣后的材質(zhì)化驗(yàn)、金相分析及斷口分析認(rèn)為:(1)葉片材料的化學(xué)成分(見表3)及機(jī)械性能(見表4)均符合0Gr13Ni5Mo鑄鋼的規(guī)范要求;(2)葉片鑄造基體上存在較多的冶金缺陷縮孔、夾雜孔及枝晶偏析;鑄造組織沒有消除,晶粒粗大;葉片壁厚方向上存在明顯的界線,兩側(cè)的組織和硬度明顯不同,對應(yīng)成分也不盡相同;(3)葉片的斷裂為疏松缺陷處的多余源疲勞斷裂,疲勞裂紋的發(fā)生點(diǎn)源于鑄造缺陷,裂紋附近可見明顯的貝殼線,存在應(yīng)力集中;裂紋斷面粗糙,無塑性變形,呈脆裂特性?；谝陨先c(diǎn),可以斷定葉片裂紋為疲勞裂紋。5.2旋轉(zhuǎn)葉片裂縫的原因通過對葉片材質(zhì)的化驗(yàn)、裂紋的斷口分析以及轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力測試,可以確定轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的主要原因包括以下幾個(gè)方面。5.2.1輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片鑄造鑄造成型的葉片,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、疏松等鑄造缺陷。1#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片鑄造報(bào)告反映出葉片鑄件存在大面積的鑄造缺陷及超規(guī)范挖補(bǔ);在1#水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片無損檢查中發(fā)現(xiàn)葉片表面存在大面積的點(diǎn)狀缺陷。這些缺陷的存在,嚴(yán)重影響了材料的疲勞強(qiáng)度,使得葉片材料性能下降。位于葉片中部的鑄造氣孔、鑄造砂眼等鑄造缺陷在外部應(yīng)力的作用下很容易成為裂紋源,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片中間部位裂紋。5.2.2出水邊激振的裝置卡門渦頻率為f=sh?w/Г,其中sh為斯特努哈數(shù),一般取值為0.18~0.25;w為脫流點(diǎn)平均速度,按40.114m/s取值;Г為分離點(diǎn)處尾流寬度,按邊界層厚度即葉片出水邊厚度計(jì)算。當(dāng)卡門渦頻率與葉片固有頻率耦合時(shí),葉片發(fā)生激振。希科公司認(rèn)為存在卡門渦共振,其依據(jù)僅是水輪機(jī)頂蓋振動和噪聲測試結(jié)果——頂蓋振動瀑布圖(見圖2),?？乒菊J(rèn)為頂蓋振動瀑布圖清楚地表明了在300~500Hz之間有非常高的峰值,從而證實(shí)了葉片卡門渦和出水邊高階固有頻率耦合;同時(shí),在針對消除卡門渦的葉片出水邊修型后,頂蓋振動瀑布圖(見圖3)顯示160MW以上出力原存在的高頻率相應(yīng)消失了;出水邊修型后,原來存在的水力共振也消失了;客觀而言在采取針對卡門渦的葉片出水邊修型后,葉片裂紋顯著減少、減輕。5.2.3齒輪靜應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)間的過度角R角設(shè)計(jì)較小,引起應(yīng)力集中。從葉片靜應(yīng)力看,修形前葉片的最大靜應(yīng)力位于葉片出水邊與轉(zhuǎn)輪下環(huán)的聯(lián)結(jié)部位(見表5)。從轉(zhuǎn)輪有限元分析結(jié)果看,轉(zhuǎn)輪葉片承受的最大靜應(yīng)力位于該部位,在120~260MW負(fù)荷區(qū)域,該部位靜應(yīng)力數(shù)值在160~280MPa之間,遠(yuǎn)大于該部位靜應(yīng)力設(shè)計(jì)值;從轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果看,轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)結(jié)部位實(shí)測應(yīng)力值已接近或超出有限元分析結(jié)果(見表6),這說明在轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)中沒有足夠重視該部位應(yīng)力分布情況,致使在機(jī)組運(yùn)行中該部位存在應(yīng)力集中。分析認(rèn)為,正是由于運(yùn)行中靜應(yīng)力和動應(yīng)力的作用,導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)結(jié)部位出現(xiàn)裂紋。5.2.4葉片駁岸應(yīng)力集中原因分析筆者認(rèn)為,葉片中部鑄造缺陷的存在以及葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)接部位的應(yīng)力集中分別是造成葉片中部、葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)接部位裂紋的內(nèi)在因素。存在卡門渦共振是造成葉片裂紋的外在因素。6處理措施6.1r50過角轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)聯(lián)結(jié)處的過渡圓角原來為R50,由于該過渡角較小,容易在該部位引起應(yīng)力集中。因此,在2003年7月利用處理葉片裂紋的機(jī)會將過渡圓角增大至R100。6.2修型邊界厚度的測定分析認(rèn)為,卡門渦與葉片出水邊高階固有頻率存在耦合,為消除這種耦合,采取改變?nèi)~片出水邊厚度的方法——對葉片出水邊修型。根據(jù)理論計(jì)算,將葉片出水邊厚度由原來的16~18mm修減至6mm,葉片出水邊負(fù)壓側(cè)21mm平滑過渡(見圖4)?？拷瞎诤拖颅h(huán)側(cè)各有150mm沒有修型,該區(qū)域與修型區(qū)域之間有75mm的圓滑過渡。6.3機(jī)組各部位振動值對比從穩(wěn)定性試驗(yàn)情況看,在試驗(yàn)水頭下,1#機(jī)組在20~100MW負(fù)荷區(qū)域機(jī)組各部位的振動、擺度和水壓脈動值均比較大(見表7)。其中在60MW附近機(jī)組各部位的振動值和水壓脈動值達(dá)到最大。在該區(qū)域運(yùn)行,對機(jī)組零部件損害較大。針對這種情況,電廠嚴(yán)格要求運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際情況合理分配1#機(jī)組所帶負(fù)荷,盡量避開機(jī)組的振動區(qū)域或盡量減少在振動區(qū)域的運(yùn)行時(shí)間,保證了1#機(jī)組基本在160MW以上負(fù)荷運(yùn)行,從而在一定程度上減緩了葉片裂紋的出現(xiàn)。7水輪機(jī)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)(1)水輪機(jī)效率、空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性是水力機(jī)械的三大重要指標(biāo)。穩(wěn)定性關(guān)系到機(jī)組是否正常穩(wěn)定運(yùn)行。水輪機(jī)參數(shù)選的較高,如水頭變化幅度較大,就會存在振動和裂紋等問題。因此,在水輪機(jī)設(shè)計(jì)中,尤其在增容改造時(shí)水輪機(jī)設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)電站的實(shí)際情況,選擇恰當(dāng)?shù)乃啓C(jī)參數(shù),