靳偉鋒，張 毅

（湖南澧水流域水利水電開發(fā)有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410004）

某水電站位于湖南省湘西北澧水流域上，為引水式水電站，由進(jìn)水口、引水發(fā)電隧洞和電站廠房等建筑物組成。電站安裝1 臺(tái)15 MW 混流式水輪發(fā)電機(jī)組，設(shè)計(jì)水頭50 m，主要任務(wù)是發(fā)電，年設(shè)計(jì)發(fā)電量3 765萬kW·h，年設(shè)計(jì)利用小時(shí)數(shù)2 510 h，采用機(jī)變單元接線，升壓至110 kV 接入地方電網(wǎng)，在地網(wǎng)中承擔(dān)基荷運(yùn)行。電站水輪機(jī)型號(hào)為HLA616-LJ-210，設(shè)計(jì)水頭為50 m，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF15-22/4250。機(jī)組于2009 年5 月并網(wǎng)運(yùn)行，電站生產(chǎn)運(yùn)行及技術(shù)管理采取委托管理。水輪機(jī)具體參數(shù)如下：

型式：HLA616-LJ-210；額定轉(zhuǎn)速：272.7 r/min；額定流量：33.84 m3/s；額定水頭：50 m；工作水頭：37.22～65.34 m；轉(zhuǎn)輪材質(zhì)：ZG06Cr13Ni4Mo（工程結(jié)構(gòu)用中、高強(qiáng)度不銹鋼）。

1 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況

2011 年3 月電站首次開展機(jī)變B 級(jí)檢修, 發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片上冠、下環(huán)出水邊有不同程度的氣蝕和裂紋。裂紋長度50～110 mm 不等，裂紋形狀相似，大部分為貫穿型裂紋。裂紋的部位、長度、深度等情況見表1。圖1、圖2 分別為4#葉片下環(huán)處和上冠處裂紋。發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋后，電站嚴(yán)格按生產(chǎn)廠家制定的處理方案進(jìn)行了修復(fù)處理和無損探傷檢測(cè)，處理完全后投入運(yùn)行。但電站隨后在2012、2013 年度檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片開裂現(xiàn)象依然存在，且裂紋發(fā)生位置、性質(zhì)與2011年裂紋基本一致，仍在葉片上冠、下環(huán)出水邊“R”角焊縫處。

表1 轉(zhuǎn)輪裂紋有關(guān)信息

圖1 4#葉片下環(huán)處裂紋

圖2 4#葉片上冠處裂紋

2 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋原因分析

由于轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)多次裂紋且裂紋發(fā)生部位多在同一位置，每次轉(zhuǎn)輪葉片裂紋修復(fù)導(dǎo)致檢修工期延長，且影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行。因此電站生產(chǎn)運(yùn)行管理單位非常重視，2013 年組織業(yè)主、設(shè)備制造廠、檢修單位及特邀專家進(jìn)行專題研究，針對(duì)電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因、解決措施進(jìn)行分析和討論。

對(duì)于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)方面：

1）應(yīng)力方面。從力學(xué)及材料力學(xué)上來說，葉片裂紋的出現(xiàn)是葉片所承受的動(dòng)應(yīng)力超過了葉片材料疲勞強(qiáng)度極限的結(jié)果。導(dǎo)致葉片疲勞的主要來源為作用在其上的交變載荷，而交變載荷又由變化的水力自激振以及不斷變化的水輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷產(chǎn)生。該電站在地區(qū)電網(wǎng)中擔(dān)任基荷運(yùn)行，開機(jī)后基本上就帶滿負(fù)荷運(yùn)行，不存在嚴(yán)重交變載荷；且機(jī)組投運(yùn)時(shí)間不長，年利用小時(shí)數(shù)不高，因疲勞損傷導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片開裂的可能性不大。

2）設(shè)計(jì)方面。該機(jī)組采用的HLA616 型轉(zhuǎn)輪為哈爾濱大電機(jī)研究所研發(fā)，最大使用水頭75 m，比較適用于電站的實(shí)際運(yùn)行工況（H=37.22～65.34 m）。HLA616 型轉(zhuǎn)輪自1997 年開發(fā)以來，已在貴州巖寨（HLA616-LJ-164）、越南大松（HLA616-LJ-108）等多個(gè)電站使用，均未發(fā)生轉(zhuǎn)輪裂紋的現(xiàn)象，故轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)方面不存在問題。

3）材質(zhì)方面。電站轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為馬氏體工程結(jié)構(gòu)用中、高強(qiáng)度不銹鋼ZG06Cr13Ni4Mo，此鋼材機(jī)械性能優(yōu)良，在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，水電設(shè)備中大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等過流部件多采用該材料制造。從生產(chǎn)廠家提供的材質(zhì)分析報(bào)告看，因材質(zhì)原因引起轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的可能性較小。

4）制造工藝方面。制造工藝缺陷是引發(fā)轉(zhuǎn)輪裂紋的重要原因之一，混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片型面為復(fù)雜的空間扭轉(zhuǎn)曲面，斷面為流線翼型。部分制造廠家為追求轉(zhuǎn)輪高效率，轉(zhuǎn)輪流線較高，更好地符合水流規(guī)律，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊往往較薄，葉片厚度不夠，削弱了轉(zhuǎn)輪葉片的剛度和強(qiáng)度，而往往導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。該電站轉(zhuǎn)輪葉片出水邊較薄，為4～5 mm，其剛度和強(qiáng)度不足，轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋與之有較大關(guān)系。轉(zhuǎn)輪焊接質(zhì)量和焊接工藝若把控不到位也將導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生。焊接質(zhì)量不良主要表現(xiàn)在氣孔、砂眼，焊接工藝不良將導(dǎo)致葉片局部存在較大殘余應(yīng)力。電站轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片是分別鑄造后再焊接成型，雖然經(jīng)過熱處理，但仍有不可控因素致使葉片局部存在較大應(yīng)力而在相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)行工況中產(chǎn)生裂紋。

經(jīng)綜合分析，初步判斷導(dǎo)致電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因?yàn)殡娬巨D(zhuǎn)輪葉片出水邊偏薄、焊接工藝及焊接質(zhì)量不良引起。

3 轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理方案

通過分析討論，參會(huì)相關(guān)專家就電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理方案進(jìn)行了細(xì)致的商議，建議對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片采取補(bǔ)強(qiáng)處理。在生產(chǎn)運(yùn)行管理單位的協(xié)助配合下，設(shè)備制造廠家在認(rèn)真研究、廣泛走訪調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊裂紋處采用加三角鐵補(bǔ)強(qiáng)處理方案，其采取的主要方法及工藝為：

1）HLA616 轉(zhuǎn)輪為14 片葉片，考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)件的平衡及穩(wěn)定，對(duì)所有葉片均進(jìn)行三角鐵補(bǔ)強(qiáng)。

2）三角鐵材料與葉片母材相同，其厚度保證原葉片厚度單邊增加，同時(shí)制作弧形三角鐵，以確保形線的精確度。

3）對(duì)三角鐵及焊縫進(jìn)行打磨修整，確保轉(zhuǎn)輪出水邊形狀圓滑過渡，對(duì)葉片線型進(jìn)行修復(fù)。三角鐵焊接嚴(yán)格按照規(guī)范化焊接工藝進(jìn)行，同時(shí)保證殘余應(yīng)力及時(shí)消除。

4）對(duì)所有焊接區(qū)進(jìn)行UT、PT 無損探傷檢測(cè)，不合格的進(jìn)行補(bǔ)焊，直至合格為止。

5）三角鐵補(bǔ)強(qiáng)及坡口示意如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)輪裂紋處三角鐵補(bǔ)強(qiáng)示意圖

由于電站現(xiàn)場(chǎng)條件有限，現(xiàn)場(chǎng)處理無法保證焊接質(zhì)量和消除殘余應(yīng)力以及線型修復(fù)等工藝要求，故建議轉(zhuǎn)輪返廠處理，以便保證各項(xiàng)工藝措施全部執(zhí)行到位，確保轉(zhuǎn)輪裂紋處理徹底。

生產(chǎn)運(yùn)行管理單位與業(yè)主商議后最終確定，在2014 年對(duì)機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性大修，在大修時(shí)按廠家優(yōu)化后的處理方案進(jìn)行轉(zhuǎn)輪返廠處理。2013 年暫按2011 年、2012 年處理方案在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)并進(jìn)行無損探傷檢測(cè)，處理合格后投入運(yùn)行。

4 結(jié) 語

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋是水電站比較常見的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著電站的安全、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本文從水力、設(shè)計(jì)、材質(zhì)和制造工藝等多方面分析了HLA616-LJ-210 轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的主要原因，針對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因并結(jié)合國內(nèi)電站轉(zhuǎn)輪裂紋處理的方法，制定了合適的處理方案。

按照制定的處理方案，電站在2014 年汛后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了擴(kuò)大性大修，轉(zhuǎn)輪吊出返廠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。處理后，經(jīng)過6 年的運(yùn)行檢驗(yàn)，未再發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋現(xiàn)象，證明該電站轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析正確，處理方案切實(shí)可行，返廠處理工藝及措施得當(dāng)，徹底解決了影響該電站穩(wěn)定運(yùn)行的安全隱患，對(duì)國內(nèi)其他水電站轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理有一定的參考和借鑒意義。