混流式机组转轮裂纹原因分析及解决办法

马剑滢

（甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

混流式机组转轮裂纹原因分析及解决办法

马剑滢

（甘肃电投大容电力有限责任公司，甘肃 兰州 730030）

通过对某水电站机组转轮叶片产生裂纹的原因分析，找出了解决办法，达到了较好效果，并对同类型机组提出了应注意的问题和预防措施。

混流式机组；转轮；裂纹；处理

1 概述

水电站工程位于甘肃省迭部县花园乡东约0.3 km的益高村附近，距迭部县城约75km。厂房内安装3台单机容量20MW立轴混流式水轮发电机组。多年平均发电量为24705万kW·h，年利用小时4118h。

3台机组相继于2013年2月、4月和5月投产发电，3号机组最晚投产发电。在2014年机组检修过程中发现1号机组、3号机组转轮存在裂纹，且3号机组有两条贯穿性裂纹，长度达到650 mm，后经过返厂处理，安装后目前运行稳定。本文就转轮裂纹产生的原因以及处理方法做一详细的阐述，供大家学习交流。

2 机组参数

最大水头 65.45 m

加权平均水头 61.78 m

额定水头 59 m

最小水头 54.6 m

极端最小水头 46.14 m

多年平均含沙量 0.633 kg/m3

多年平均悬移质输沙量 11.9×104t

水轮机型号 HLX240-LJ-220

额定出力 21 MW

最大出力 24.0 MW

额定转速 272.7 r/min

飞逸转速 530 r/min

额定流量 38.47 m3/s

最大流量 45.45 m3/s

额定点效率 94.4%

最大效率 95.22%

机组旋转方向 俯视顺时针

轴向水推力 最大水头65.45 m时，最大水推力为110 t。

3 现象描述

2013～2014年年度设备检修时未发现异常，2014～2015年年度检修时发现3号转轮2个叶片出水边与下环焊接部位出现650 mm、700 mm长的贯穿性裂纹。后经仔细检查在转轮的13个叶片中除7号叶片外，其余叶片均存在裂纹，长度从20mm到200 mm不等。详见表1、图1。

表1 各叶片裂纹长度

从表1及图1中可见转轮裂纹数量之多、裂纹之长在近年来都是罕见的。

1号叶片及13号叶片裂纹见图2及图3所示：

图1 转轮

图2 1号叶片裂纹

图3 13号叶片裂纹

13号叶片的裂纹从出水边根部延伸至叶片中部位置，几乎贯穿整个叶片，从图2、图3看出裂纹位置位于叶片出水边与下环连接根部部位，在焊缝的热影响区域内。

4 原因分析

为解决转轮裂纹问题，笔者从应力分析、生产制造、安装运行等方面对转轮裂纹产生的原因进行分析。从而提出解决问题的方法措施。

4.1 应力分析

从花园电站转轮计算结果可以看出，转轮在各种工况下应力最大值均出现在叶片出水边与下环连接根部位置，最大应力值达到204.8MPa。此计算结果显示的最大应力位置与转轮发生裂纹的部位相吻合。

图4 转轮网格划分

图5 转轮叶片计算模型

图6 转轮叶片计算结果

4.2 选型方面

从图7可以看出，机组在选型之初，过分追求超负荷能力，而忽略了低负荷运行区域的稳定性能。

图7 模型特性曲线

4.3 焊接原因

图8看出在转轮叶片与下环焊接根部存在气孔现象；图9显示焊角处存在颈缩现象，并且过渡圆角过小，未能达到设计要求。

图8 转轮叶片根部气孔

图9 转轮叶片出水片与下环焊接部位焊角

4.4 制造、安装原因

在准备检修转轮，分解机组的过程中，发现上导、下导轴承间隙均超标，下导总间隙由安装时的0.35 mm，增加到0.79～1.11 mm不等。远远超出设计要求。

在检查中还发现下导轴瓦瓦托于支柱螺栓接触部位出现裂纹。如图10所示。

图10 下导轴瓦瓦托裂纹

4.5 主要原因

通过以上4项内容，综合分析转轮裂纹产生的原因主要有4方面：

1）机组选型不当，过分追求机组的超发能力，而忽略了机组在额定工况以外运行区域的稳定范围，导致机组在低负荷运行区域运行时，转轮应力过大，机组存在安全隐患。

2）转轮在设计阶段已经测算出最大应力在叶片出水边与下环连接部位，在结构设计时未针对性的采取降低应力有效措施，导致最大应力点始终存在于叶片出水边与下环连接部位的薄弱环节。

3）转轮焊接阶段，对焊接质量把控不严，在焊缝处出现气孔，以及缩颈现象，加剧应力集中。

4）下导轴瓦瓦托设计不合理，与顶瓦支柱螺栓接触的部位厚度只有5 mm，无法承载轴瓦受力，在运行时发生断裂，导致导瓦间隙变大，使得机组运行时振动、摆度值加大，加剧转轮裂纹的产生。

5 处理方法

5.1 方案确定

处理方案有两种：1）新加工一台转轮替换有裂纹的转轮；2）修复原有转轮继续使用。

综合上述两种处理方案，为不影响现场发电，减少损失，最终选择将旧转轮进行修复后暂时解决今年汛期发电问题，然后投制一台新转轮，在检修期间进行更换。

5.2 修复转轮的工艺方案

基于转轮裂纹长度大以及裂纹数量多的特征，研制修复方案采取以下措施：

1）在裂纹头部钻止裂孔，孔径不小于6 mm。2）开设焊接坡口、并打磨至要求，防止焊接时叶片开裂。

3）在叶片出水边与下环连接处、叶片出水边与上冠连接处增加三角型筋板，以降低此处应力提高抗裂纹能力。

4）采取焊后退火的措施，消除焊接应力。

5.3 防止转轮裂纹再次发生采取的措施

1）降低转轮叶片应力。采取在应力集中部位增加三角型筋板的方式，改善叶片受力情况和降低容易发生裂纹部位的应力。

2）提高安装精度。在转轮修理完成后，机组回装阶段，严格控制安装质量，将机组轴线调整至优良范围内。

3）增加下导瓦托的强度。将瓦托原来的厚度由5 mm增加至8 mm，重新加工8套瓦托。

4）改善机组运行范围。将机组运行范围限定在1万～2万kW之间，避免在低负荷、以及振动区域运行。

通过采取以上措施，机组于2015年1月28日并网发电，机组运行良好。

6 结语

转轮裂纹是在世界范围内广泛存在的现象，裂纹产生的原因与多种因素有关，如：选型设计、结构设计、材料选择、加工制造、焊接工艺、安装调试、运行范围等，每一个环节都密切相关，互相影响。转轮裂纹严重影响电站的安全运行。在发生裂纹后需要准确分析原因，对症及早处理。

转轮处理后已经使用一个汛期，经过检查再未发现裂纹，目前运行稳定。实践证明转轮裂纹临时处理的方法是得当的，但是要彻底解决转轮裂纹问题，还需要从根本上杜绝裂纹产生的原因。从设计、选型阶段就要综合考量转轮的性能，不单纯追求高效率、高指标，把电站的长期安全、稳定运行放在首要位置。

TV730.3

B

1672-5387（2016）10-0054-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.016

2016-06-01

马剑滢（1974-），男，高级工程师，从事水电站机电设备检修维护管理工作。