高水頭運行對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋影響因素淺析

摘要：對龍羊峽水電站機組在首次高水頭運行后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的具體情況和特點進(jìn)行了介紹與分析，得出高水頭運行是水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生原因之一，但不是主要原因。水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的主要原因是多方面綜合而成的。提出水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋處理的建議。

關(guān)鍵詞：高水頭；轉(zhuǎn)輪葉片裂紋；特點分析；處理建議

中圖分類號：TM622 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0264-02

龍羊峽水電站1987～1989年四臺機組先后投產(chǎn)發(fā)電，機組額定運行水頭122m。自投產(chǎn)以來機組運行水頭長期偏低，2005年8月中旬起水庫水位開始超過歷年最高值，水輪機的運行毛水頭超過130m；2005年11月底前后庫水位達(dá)到當(dāng)期最高，水輪機毛水頭達(dá)到145.75m；2006年5月，上游水位回落到當(dāng)期最高水位以下，水輪機的毛水頭也降低到130m以下，這段高水頭運行期的中期和后期，檢查首次發(fā)現(xiàn)1號水輪機轉(zhuǎn)輪有5片葉片開裂，3號機有1片葉片開裂，2006年10月在4號機上也首次發(fā)現(xiàn)了3條裂紋。

針對機組運行近20年且經(jīng)受首次高水頭運行后轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)多條裂紋的現(xiàn)象，對水輪機高水頭運行與轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的關(guān)系進(jìn)行簡要分析如下：

一、龍羊峽水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋情況和特點

1.多數(shù)裂紋出現(xiàn)在高水頭運行之后

最早發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋都是在高水頭運行的后期，即由最高水頭向下回落的過程中，如表1中所示1號機和3號機的情況。這顯示出，裂紋的出現(xiàn)與約半年的高水頭運行有一定關(guān)系。

2.裂紋出現(xiàn)在傳統(tǒng)部位

裂紋都出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠和下環(huán)相交的部位，多數(shù)都在焊接熱影響區(qū)。[1]這顯示出裂紋的產(chǎn)生符合一般規(guī)律，即出現(xiàn)在靜應(yīng)力和動應(yīng)力都比較大的部位，也說明葉片裂紋主要不是由偶然因素（如材料缺陷、制造過程中產(chǎn)生的缺陷等）所引起。

3.產(chǎn)生裂紋的葉片是少數(shù)

根據(jù)當(dāng)時黃河電檢中心的檢測結(jié)果，統(tǒng)計出4臺水輪機裂紋的條數(shù)和總長度數(shù)據(jù)，如表1所示。數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生裂紋的葉片是少數(shù)的，最多只有5條。

4.各臺機組的裂紋情況有明顯的差別

如表1所示，截至表中的檢查時間，1號機有5個葉片出現(xiàn)裂紋，3號機1個葉片出現(xiàn)裂紋，另2臺水輪機沒有出現(xiàn)裂紋。這表明，它們沒有一個共同的、主要裂紋原因。

5.在比較低的水頭下運行葉片裂紋仍然出現(xiàn)

2007年7月在1號機檢修中發(fā)現(xiàn)，高水頭運行后補焊過的轉(zhuǎn)輪上在葉片出水邊靠近上冠處重又出現(xiàn)五條貫穿性裂紋，其中三個葉片是高水頭運行后補焊過的，且裂紋出現(xiàn)在葉片的同樣部位，另有兩個新開裂的葉片。而此期間，水輪機的運行毛水頭均在136m以下，且大部分在130m水頭以下，與高水頭運行前的較高毛水頭相當(dāng)。

6.裂紋都出現(xiàn)在水輪機累積運行17～19年之后

4臺機組分別在1987～1989年投入運行，到2006年止已累積運行了17～19年，在這些年的運行中水輪機轉(zhuǎn)輪葉片都沒有出現(xiàn)裂紋，在這個基礎(chǔ)上又經(jīng)過約半年的高水頭運行，葉片裂紋現(xiàn)象才相繼出現(xiàn)了。這是龍羊峽水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)的一個十分重要的隱性特點。

二、不同工況對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的影響因素分析

1.高水頭對葉片裂紋的影響有限

機組轉(zhuǎn)輪葉片首次出現(xiàn)裂紋時機組運行了近20年，期間高水頭持續(xù)運行的時間并不長。從2005年8月19日水頭開始升高（毛水頭超過130m），3個月后，即當(dāng)年11月19日達(dá)到最高毛水頭145.79米之后緩慢下降，到2006年3月降低到約136m，5月降低到129m。期間毛水頭超過130m的持續(xù)時間總計為8個月，其中在140m以上運行的時間不超過4個月。

一些在高水頭運行期間沒有開裂的葉片，在水頭已經(jīng)降低到過去的水平（毛水頭約130m以下）運行約1年后裂紋仍然出現(xiàn)了，這顯然主要不是水頭影響的結(jié)果。

在高水頭情況下作用在葉片上的水力動載荷會有所增大，但增大的比例比較有限。高水頭時，如果機組經(jīng)常在大負(fù)荷情況下運行，其水力穩(wěn)定性應(yīng)是比較好的，葉片的動應(yīng)力也比較低，有利于避免葉片裂紋的出現(xiàn)。

綜上所述：說明高水頭運行不是導(dǎo)致葉片裂紋的主要原因。

2.在低水頭情況下運行裂紋現(xiàn)象同樣出現(xiàn)

1號機在高水頭運行后出現(xiàn)的裂紋在高水頭運行的末期（2006年4月）進(jìn)行了補焊，但在運行一年多以后（2007年7月）又有5個葉片出現(xiàn)了裂紋，其中兩個葉片過去還沒有開裂過；4號機在高水頭運行后的2006年10月檢查時發(fā)現(xiàn)3個葉片出現(xiàn)了裂紋，而在2005年12月高水頭運行后期還沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

以上情況表明：葉片裂紋的產(chǎn)生主要不是運行水頭高低的影響；隨運行時間的延續(xù)，裂紋現(xiàn)象可能將越來越嚴(yán)重，即越來越多的轉(zhuǎn)輪葉片將會先后不同的出現(xiàn)裂紋，裂紋條數(shù)增多和裂紋長度增大；要遏制葉片裂紋的出現(xiàn)還需要采取進(jìn)一步有針對性的措施。

3.水頭的影響

影響龍羊峽水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的動應(yīng)力的水力因素主要有：轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流的沖擊和次生水沖擊；尾水管渦帶壓力脈動；是否存在類轉(zhuǎn)頻壓力脈動尚需進(jìn)一步驗證。可以肯定的是，不存在卡門渦共振現(xiàn)象。

隨水頭的升高，機組的最大負(fù)荷增大，最大負(fù)荷下轉(zhuǎn)輪葉片的靜應(yīng)力和動應(yīng)力都將有所提高，而實際動載荷的大小還和機組當(dāng)時負(fù)荷情況有關(guān)。

如果機組經(jīng)常在大負(fù)荷或滿負(fù)荷情況下運行，上面所述的各種不穩(wěn)定水流情況將會減小到最低程度，葉片所承受的動載荷不會很大，這將有利于避免葉片裂紋的出現(xiàn)。

4.運行工況的影響

正常情況下，水輪機在不同工況下的葉片動應(yīng)力是不同的。基本規(guī)律是：水流狀態(tài)不好時，葉片承受的動應(yīng)力比較大。[2]因此，運行工況不同、在不同工況下運行的時間長短不同對轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的產(chǎn)生都是有影響的，影響的大小是不是裂紋產(chǎn)生的主要原因則需要進(jìn)行具體分析。

利用電站運行前10年不同時段統(tǒng)計的“運行小時”和“利用小時”進(jìn)行了比值計算，計算結(jié)果列于表2中。根據(jù)這些比值推斷，龍羊峽機組在小負(fù)荷區(qū)（45%額定負(fù)荷以下）運行的時間可能占運行小時數(shù)的1/3或以上。

各機組的空蝕情況統(tǒng)計結(jié)果表明，大部分空蝕區(qū)都不在葉片的“傳統(tǒng)”低壓區(qū)（翼型空蝕區(qū)），這也間接說明機組在較低負(fù)荷下運行的時間比較長。

所有這些都表明機組在小負(fù)荷區(qū)的運行時間比較長，會對葉片的裂紋現(xiàn)象有一定的促進(jìn)作用。

三、基本結(jié)論

運行年代久遠(yuǎn)葉片材料的剩余疲勞強度減小，逐漸接近或已經(jīng)達(dá)到材料的剩余疲勞強度極限（臨界點），這是裂紋發(fā)生的基本原因。水頭升高可能使轉(zhuǎn)輪葉片承受的最大動載荷有所增大（但與當(dāng)時機組的出力有關(guān)），可能成為促使部分剩余疲勞強度接近其極限的葉片發(fā)生裂紋。比較長時間的小負(fù)荷運行可能是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片疲勞強度降低的重要影響因素。今后機組即使不在所謂高水頭情況下運行，仍然可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋現(xiàn)象，并可能趨于嚴(yán)重。

四、關(guān)于處理措施的建議

1.補焊

進(jìn)一步提高補焊質(zhì)量，減小焊接應(yīng)力，提高焊接效果。

2.裂紋部位局部加強

如果常規(guī)焊接不能消除裂紋的再發(fā)生，可考慮采用裂紋部位局部加強的措施：如增大根部過渡圓弧的半徑；用焊接的辦法加厚裂紋部位；用同樣材料的軋制鋼板替代裂紋部位的材料，同時使厚度適當(dāng)增大。[3]

3.減少機組在小負(fù)荷區(qū)運行的時間

在可能的條件下盡量減少機組在小負(fù)荷工況（50%以下）下運行的時間，可在很大程度上減小轉(zhuǎn)輪葉片承受的動載荷，減少葉片發(fā)生疲勞裂紋的可能性，延長轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命。

4.加強監(jiān)測

在今后運行、檢修中要加強監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛漢領(lǐng).混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋監(jiān)測研究[M].北京：中國水利水電出版社，2009：154-159.

[2]周厚生，汪俊.水輪機組安裝與檢修[M].鄭州：黃河水利出版社，2009：129-134.

[3]戴起勛.金屬材料學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：87-93.

（責(zé)任編輯：王祝萍）