水力发电厂水轮机固定导叶裂纹研究

孙晋明，孙成刚，吴章勤，艾川，王明智，李涛，王立凯

（1.云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217；2.云南华电鲁地拉水电有限公司，云南 大理 671611）

0 前言

固定导叶作为水轮发电机组导水机构中最重要的铸锻件之一，一直都是大型水轮机组制造和运维面临的重点，在水轮发电机组运行中起到导流作用，产生环量进而形成连续流道，使水流在连续的流道内流动，不至形成死角和突然扩散从而影响水轮机效率。对水轮机导叶内部因铸造生产的铸造缺陷，焊接时于焊缝及热影响区域易于产生焊接缺陷而导致产生裂纹。在运行状态下，固定导叶受到来自水流的冲击、腐蚀，以及所含砂石的冲刷、导致其表面防腐层受损，更严重的是固定导叶焊缝及热影响区裂纹扩展，从而使得固定导叶安全性能大大下降，严重影响水轮发电机组的安全运行。

1 水力发电厂固定导叶及焊缝裂纹

结合水力发电厂机组检修机会，按照《水电厂金属技术监督规程》的要求，对金属技术监督/服务工作范围内的水力发电厂的42 台机组，共1008 个固定导叶进行检查，其中固定导叶焊缝出现裂纹103 条，3 个固定导叶表面出现裂纹，检查发现固定导叶缺陷绝大部分存在于固定导叶及焊缝、母材热影响区的表面及近表面。

某水电厂机组固定导叶在检修期间，发现其中9 个固定导叶及焊缝及其焊缝存在17 处缺陷，其中具有代表性的#13 固定导叶及焊缝进水端正压侧上焊缝存在长为120 mm 的裂纹，裂纹位于焊缝热影响区，沿焊缝方向延伸，正压侧区域为平直状，进水端区域为不规则状，裂纹宽而深，端头尖锐；进水端正压侧下焊缝存在长为210 mm 的裂纹，裂纹位于焊缝热影响区，沿焊缝方向延伸，呈平直状，中段平滑端头尖锐，裂纹较浅。固定导叶及焊缝出水端辐射状裂纹，裂纹贯穿母材、热影响区和焊缝，裂纹宽而深，裂纹表面锈蚀严重；正压侧存在2条裂纹，位于母材表面，裂纹宽而深，表面锈蚀严重。

2 固定导叶结构及作用

水轮机固定导叶是水轮机导水部件的重要组成部分，作为重要的引水部件，对固定导叶的设计需要考虑固定导叶整体结构对水流及机组效率的影响，也要顾及运行状态下水流降低单个固定导叶的安全性能，故而在结构、角度、数量等方面都有严格要求，在满足上述条件的基础上尽量减少过流损失，提高其抗气蚀性能。水轮机的固定导叶连同其两端的环形结构(分别称为上环和下环)一起称为座环，起到支撑机组转动部分和发电机重量，并将载荷传递到基础上去，座环的结构主要分两种：一种是蝶形边座环，一种是平行边座环。近年来可逆式机组所用座环类型大多为平行边座环，不仅有利于与固定导叶的焊接，而且可以减少用和不用椭圆截面，减少了加工难度[1-2]。为减小水轮机组固定导叶的出水边与上下环板连接处的应力集中，固定导叶出水边尽量要厚，而且不要有尖角，尽量保证圆滑[3]。

图1 固定导叶结构设计图

水轮机固定导叶和活动导叶又被称作双列叶栅，在设计上它们必须满足水泵水轮机双运行方向上都具有良好的进水和出水条件。选择固定导叶时应考虑：一，按强度要求选取最小的叶片厚度；二，导叶长度尽量小，通常取1.1左右；三，对于给定的叶型，可以在一定范围内改变其旋转轴位置来调整导叶的开关趋势和水力矩大小[1]。

图2 固定导叶及焊缝位置示意图

混流式水轮机在最优工况（转速n=64 转/分，流量Q=220 升/ 秒）时，引水部件的水力损失占水轮机总水力损失的54%，转轮损失占25%，尾水管水力损失占21%[4-5]。因此，混流式水轮机最优工况时引水部件内的水里损失占较大比重，约占水轮机总水力损失的一半。说明混流式水轮机的引水部件在总的能量平衡中起到重要的作用。水轮机导水部件性能的好坏直接影响整个机组和电站的经济技术指标。

3 固定导叶及焊缝裂纹产生原因

水轮机固定导叶及叶连同其两端的环形结构，其裂纹形成有综合原因一般有以下几种情况[6-7]。

1）在机组运行状态下，固定导叶始终受到内应力和振动应力作用[8]，从而导致应力集中产生裂纹。对出现裂纹的固定导叶进行统计观察，发现裂纹绝大部分都出现在角焊缝或者是角焊缝与管座之间过渡段位置。固定导叶及焊缝在焊接时存在一定的内应力，机组运行过程中，还要存在承受波动冲击造成的共振作用；由于固定导叶是与环板固定，角焊缝受到的力就相当于固定导叶的固定端位置所受的力，所受弯曲应力最大点在进水和出水端，形成一种峰值应力。机组长期运行，在角焊缝及附近母材部位形成应力集中，当应力水平达到一定值时，就在应力集中区域，同时又是材料强度薄弱区域出现裂纹。

2）固定导叶及焊缝区域存在强度薄弱区域。角焊缝到管接头过渡区域的金相组织比其他部位差，在焊缝及其热影响区，过渡区域的材料强度等机械性能要比其他部位的机械性能差。当材料一定的工作温度下长期受到低周应力作用，且弯曲应力达到其值时，在角焊缝到管接头过渡区应力集中部位，产生疲劳裂纹源，并逐渐扩展呈一条线性裂纹[9]。

3）水轮机启动、停运时水流启停所导致裂纹扩展加速。水轮机在启动和停运状态下因水轮冲击而造成的应力很大，使裂纹源发生扩展，进而形成裂纹。

4）固定导叶及焊缝产生裂纹的另一个原因，是在该部位发生应力腐蚀现象。当承受拉伸应力的作用时，一般来说，只需很小的拉伸应力即可引起应力腐蚀。固定导叶及焊缝局部承受着重量不平衡产生的应力，在角焊缝形成局部的拉伸应力，并且形成局部应力集中；同时与材料种类相匹配的特定腐蚀介质环境，这是对无初始表面裂纹的元件而言的。当元件有初始表面裂纹时，钢材在一般介质中都将发生应力腐蚀。水是腐蚀性较强的介质，在运行状态下水渗入固定导叶及焊缝处，使固定导叶及焊缝外壁产生严重氧化腐蚀现象，极易产生微观裂纹等缺陷，在微观裂纹处形成裂纹源，因此，固定导叶及焊缝在很低的应力水平和腐蚀性很弱的介质中，引起应力腐蚀出现裂纹。

5）固定导叶及焊缝存在铸造缺陷和焊接缺陷，也是产生裂纹的重要因素。运行中由于铸造缺陷和焊接缺陷的发展，特别是面状缺陷的尖角效应，很容易发展为裂纹源[10]。

4 固定导叶及焊缝裂纹分析

水轮机固定导叶及焊缝产生的裂纹的原因主要有以下几点：

1）固定导叶及焊缝在机组运行状态下，受到共振作用，往往导致金属疲劳，容易产生疲劳裂纹。

2）固定导叶及焊缝存在铸造缺陷和焊接缺陷，这些不同类型的缺陷成为了裂纹源，易导致疲劳裂纹早期形成和使得部件的抗疲劳能力下降。

3）固定导叶及焊缝处于冲击压力、内应力，且存在振动的环境，在长期的混合应力和振动应力的共同作用下，更加容易产生疲劳裂纹和造成裂纹的扩展。

4）固定导叶及焊缝外表面均具有氧化腐蚀和气蚀现象，氧化腐蚀和气蚀等表面微小缺陷是新的裂纹源，其在应力作用易形成裂纹并扩展。

5）固定导叶结构上的角焊缝的是应力集中区，这也是产生裂纹并扩展的因素。

5 固定导叶及焊缝裂纹预防建议

根据历次水轮发电机检修检验情况，为预防固定导叶及焊缝产生裂纹，建议采取下列措施：

1）在制造安装及修理改造过程中优化焊接工艺，提高焊接质量。特别是对固定导叶进行修复和焊接时，现场的工作条件受到一定的限制，保证焊接质量和减少因应力集中是防止产生裂纹重要措施。

2）从设计上对固定导叶及焊缝进行优化改造，并保证固定导叶及焊缝的光洁度，特别是对裂纹修复后[11]；对固定导叶及焊缝进行保护，防止产生气蚀等表面缺陷而形成新的裂纹源；对机组运行振动区进行分析，发现的问题及时处理解决，以保证机组安全运行。

3）重视水轮发电机组安全性能检验，加强固定导叶及焊缝等金属部件的监造。在电站建设阶段应对固定导叶及焊缝等金属部件制造、安装、焊接时进行重点检测，提高其角焊缝可靠性，避免制造缺陷的存在。同时，对运行中固定导叶及焊缝按相关检验规程进行定期检验，对已出现的缺陷进行监控。

6 结束语

水轮机固定导叶的裂纹在水电站实际运行过程中产生的裂纹是多种因素综合作用的结果，严重地影响水轮机的正常工作，对机组的安全稳定运行形成了安全隐患。机组检修时需根据现场实际状况对水固定导叶及焊缝的检测，当发现裂纹时，应及时对裂纹产生的原因进行分析，采用合理、科学的手段进行处理，以保证机组安全运行[12]。