戴旭東，樊 湖，李 勇，夏海洋，何 海，冉曉波，李金偉

（1. 重慶酉水水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶409809；2. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100048）

1 概述

重慶酉水酉酬水電站位于沅水支流酉水的上游，壩址位于重慶市酉陽(yáng)縣東部酉酬鎮(zhèn)，距酉酬大橋上游約200 m處，距酉陽(yáng)縣城73 km。電站安裝2臺(tái)60 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量120 MW。年發(fā)電量3.92億kW·h，回水長(zhǎng)度51.29 km。電站為季調(diào)節(jié)水庫(kù)，以發(fā)電為主，兼有改善庫(kù)區(qū)航運(yùn)、發(fā)展旅游等綜合功能。

2臺(tái)機(jī)組先后于2008年底、2009年初投入運(yùn)行，截止2017年底，已累計(jì)發(fā)電313 930.37萬(wàn)kW·h。自2015年以來(lái)，2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪不同程度地出現(xiàn)裂紋，部分葉片呈貫穿性裂紋，盡管電站商請(qǐng)?jiān)O(shè)備制造廠家浙江富春江水電設(shè)備有限公司對(duì)產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了修復(fù)，但2018年初檢查發(fā)現(xiàn)，2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪14個(gè)葉片有13個(gè)葉片均出現(xiàn)了裂紋，最嚴(yán)重的葉片裂紋長(zhǎng)940 mm，呈貫穿性。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋概況

2臺(tái)機(jī)組均為浙江富春江水電設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)和制造，轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)的材質(zhì)均為ZG06Cr16Ni5Mo。

2016年1月，在對(duì)2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片有1條明顯的裂紋，2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片有2條明顯的裂紋，最長(zhǎng)達(dá)27 cm，均出現(xiàn)在葉片進(jìn)水邊靠上冠處，如圖1所示。經(jīng)電站方要求，浙江富春江水電設(shè)備有限公司安排技術(shù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)葉片裂紋進(jìn)行了冷焊處理，采用CO2氣體保護(hù)電弧焊工藝。1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪此后再無(wú)出現(xiàn)裂紋。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2017年2月，運(yùn)行1年后，酉酬水電站2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片再次出現(xiàn)裂紋，在上冠和葉片焊縫附近靠葉片一側(cè)發(fā)現(xiàn)一條貫穿性裂紋，如圖2所示。

圖2 2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2018年2月，2號(hào)機(jī)組在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有2個(gè)葉片出現(xiàn)裂紋，其中14號(hào)葉片裂紋呈現(xiàn)貫穿性，9號(hào)葉片裂紋較長(zhǎng)（2片葉片均已處理過(guò)）。為確保電站機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，電站方委托浙江富春江水電設(shè)備有限公司安排技術(shù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全方位的無(wú)損探傷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)除2號(hào)葉片完好，其他葉片均存在不同程度的裂紋，而后現(xiàn)場(chǎng)工程師對(duì)葉片出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行了修復(fù)處理。

2019年1月，2號(hào)機(jī)組進(jìn)行例行檢修，14個(gè)葉片均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

與大多數(shù)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋不同，酉酬水電站2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)在進(jìn)水邊與上冠聯(lián)接處。

3 裂紋原因分析

查閱大量的文獻(xiàn)可知，近些年混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋屢見(jiàn)不鮮，國(guó)內(nèi)如三峽、天生橋一級(jí)、劉家峽、巖灘、李家峽、二灘、漫灣、五強(qiáng)溪等水電站[1-5]，國(guó)外如美國(guó)大古力、巴基斯坦塔貝拉、美國(guó)CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原蘇聯(lián)布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克、俄羅斯薩揚(yáng)舒申斯克、緬甸太平江等水電站[5-6]均出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪裂紋，嚴(yán)重影響了電站的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)重大隱患。

3.1 材質(zhì)

2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)的材質(zhì)為ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼，采用電爐冶煉，砂型鑄造。該鋼是在Cr13馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，通過(guò)大幅度降低含碳量，同時(shí)將鎳的含量控制在4%到6%范圍內(nèi)，并加入少量的合金元素Mo而形成的。該鋼除具有一定的耐腐蝕性能外，還有良好的強(qiáng)度、韌性、可焊性以及耐磨性。

轉(zhuǎn)輪的上冠、葉片與下環(huán)在出廠時(shí)均經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，質(zhì)量是合格的。

3.2 焊接工藝

轉(zhuǎn)輪的焊接工藝尤其是焊完葉片與上冠、下環(huán)處的殘余應(yīng)力，對(duì)葉片裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展有著重要的影響。2016、2017、2018連續(xù)3年的焊接工藝基本相同，是遵照現(xiàn)行焊接標(biāo)準(zhǔn)制定的，在操作細(xì)節(jié)上或許有所差異，但不應(yīng)成為葉片出現(xiàn)裂紋的關(guān)鍵因素。

3.3 2號(hào)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)

（1）測(cè)點(diǎn)布置及試驗(yàn)設(shè)備

為掌握2號(hào)機(jī)組發(fā)電工況下的運(yùn)行狀態(tài)，分析其對(duì)葉片裂紋產(chǎn)生和發(fā)展的影響，在3個(gè)水頭工況下開(kāi)展了變負(fù)荷試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)如下：

1）擺度：下導(dǎo)和水導(dǎo)的+X、+Y方向各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；

2）振動(dòng)：上機(jī)架、下機(jī)架以及頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；

3）壓力脈動(dòng)：蝸殼進(jìn)口、無(wú)葉區(qū)以及尾水錐管進(jìn)口各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。

擺度傳感器：TR81系列電渦流位移傳感器，4～20 mA 輸出，量程4 mm，探頭長(zhǎng)度50 mm，標(biāo)準(zhǔn)靈敏度4.00 mA/mm，非線性度0.8%，靈敏度偏差1.2%。

振動(dòng)傳感器：DPS-0.5-8系列低頻位移輸出振動(dòng)傳感器，靈敏度為8 V/mm，量程1 mm，頻率響應(yīng)0.5～200 Hz，信號(hào)范圍 2～10 V。

壓力脈動(dòng)傳感器：MPM480型壓阻式壓力變送器，供電電源24 V，輸出4～20 mA電流信號(hào)，精度0.25%。

測(cè)試儀：HT6000水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)。

采樣頻率：1 kHz。

（2）靜水頭46.27 m時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

上游水位335.14 m，下游水位288.87 m，靜水頭46.27 m。

根據(jù) GB/T 11348.5-2008/ISO 7919-5：2005《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測(cè)量和評(píng)定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》[7]：將水導(dǎo)擺度分為A區(qū)（標(biāo)示，125 r/min 對(duì)應(yīng)的分區(qū)值為 0～158.2 μm）、B 區(qū)（標(biāo)示，對(duì)應(yīng)的分區(qū)值 158.2～260.0 μm）、C 區(qū)（標(biāo)示，對(duì)應(yīng)的分區(qū)值260.0～525 μm）、D區(qū)（標(biāo)示）。

表1 擺度峰峰值

由表1可以看出：2號(hào)機(jī)組在46.27 m靜水頭發(fā)電工況下運(yùn)行時(shí)，水導(dǎo)擺度位于A區(qū)或B區(qū)，可無(wú)限制地長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)也可分析出機(jī)組負(fù)荷為25.50～36.00 MW（42.50%～60.00%滿負(fù)荷）時(shí)，尾水管出現(xiàn)螺旋狀渦帶。

根 據(jù) GB/T 6075.5-2002 idt ISO 10816-5：2000《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》[8]，將頂蓋徑向振動(dòng)分為A區(qū)（標(biāo)示，對(duì)應(yīng)的分區(qū)值為 0～30 μm）、B區(qū)（標(biāo)示，對(duì)應(yīng)的分區(qū)值 30～50 μm）、C 區(qū)（標(biāo)示，對(duì)應(yīng)的分區(qū)值 50～80 μm）、D 區(qū)（標(biāo)示）。

表2 頂蓋振動(dòng)峰峰值

由表2可以看出：頂蓋+Y向振動(dòng)較+X向振動(dòng)大，機(jī)組在渦帶工況區(qū)（25.50～36.00 MW）運(yùn)行時(shí)，頂蓋徑向振動(dòng)峰峰值位于C區(qū)，機(jī)組不宜長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行。值得關(guān)注的是機(jī)組滿負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，頂蓋+Y向振動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)突變，且頂蓋垂直振動(dòng)自30.00 MW后隨著負(fù)荷的增大而增大（導(dǎo)葉開(kāi)度增大而增大），具體原因需要深入分析。

（3）靜水頭39.03 m時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

上游水位328.14 m，下游水位289.11 m，靜水頭39.03 m。

表3 擺度峰峰值

由表3可以看出：2號(hào)機(jī)組在39.03 m靜水頭發(fā)電工況下運(yùn)行時(shí)，水導(dǎo)擺度位于A區(qū)或B區(qū)，可無(wú)限制地長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)也可分析出機(jī)組負(fù)荷為18.71～30.30 MW（38.11%～61.71%滿負(fù)荷）時(shí)，尾水管出現(xiàn)螺旋狀渦帶。

由表4可以看出：頂蓋+Y向振動(dòng)較+X向振動(dòng)大，機(jī)組在渦帶工況區(qū)（23.70 MW）運(yùn)行時(shí)，頂蓋徑向振動(dòng)峰峰值位于C區(qū)，機(jī)組不宜長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行。值得關(guān)注的是機(jī)組滿負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，頂蓋+Y向振動(dòng)出現(xiàn)一個(gè)突變，且頂蓋垂直振動(dòng)自23.70 MW后隨著負(fù)荷的增大而增大，具體原因需要深入分析。

表4 頂蓋振動(dòng)峰峰值

3.4 2號(hào)機(jī)組歷年運(yùn)行水頭和運(yùn)行平均負(fù)荷分析

由表5可以看出：2號(hào)機(jī)組自2015以來(lái)，運(yùn)行平均水頭在43 m以上，運(yùn)行平均負(fù)荷約54 MW（90%滿負(fù)荷），可以看出機(jī)組常年運(yùn)行在相對(duì)比較穩(wěn)定的負(fù)荷工況區(qū)，但引起頂蓋垂直振動(dòng)偏大的水力激振力是造成轉(zhuǎn)輪葉片頻繁出現(xiàn)裂紋的重要原因。

表5 2號(hào)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）根據(jù)2016年、2017年、2018年連續(xù)3年對(duì)2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋的處理，以及1號(hào)機(jī)組自2016年后再未出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)輪裂紋的情況，可以判斷出2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)輪的制造和修復(fù)質(zhì)量有所差異，也間接證明2臺(tái)轉(zhuǎn)輪在出廠時(shí)存在瑕疵。

（2）2號(hào)機(jī)組基本運(yùn)行在水力狀況相對(duì)良好的90%額定負(fù)荷工況，常規(guī)水力因素對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生影響較小。但此時(shí)頂蓋垂直振動(dòng)較大，導(dǎo)致頂蓋垂直振動(dòng)的水力激振力對(duì)葉片裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展有較大的影響。

4.2 建議

進(jìn)一步開(kāi)展頂蓋垂直振動(dòng)偏大的試驗(yàn)和原因分析，在日常巡檢過(guò)程中重點(diǎn)檢查頂蓋與座環(huán)聯(lián)結(jié)螺栓是否有松動(dòng)跡象。