斯里蘭卡M壩水電站轉輪裂紋成因分析及修復措施

金宇鵬

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業(yè)部，云南 昆明650032）

0 前言

斯里蘭卡M壩水電站位于AmbanGanga河上，距離首都科倫坡約190 km，地處中央省東北部，大壩形成最高水位為海拔185.5 m，電站總裝機容量為25 MW，分別為2臺5 MW和2臺7.5 MW立式混流式水輪發(fā)電機組。其中2臺7.5 MW水輪發(fā)電機組（以下分別簡稱為G2、G3機組）由某公司設計，機組額定轉速為272.73 r/min，額定水頭34 m，最大水頭42 m，轉輪由上冠、葉片（共15片）及下環(huán)三部分組成，轉輪高1 154 mm，下冠直徑1 817 mm，葉片材料為ZG00Cr13Ni5Mo，于2017年7月底裝機完成并進行調試工作。

2018年上半年G2、G3機組分別進行了72 h試運行和30 d運行考核，在30 d運行考核結束后，打開尾水管進人門對水輪機轉輪進行檢查，發(fā)現(xiàn)G2&G3機組轉輪在葉片與上冠、下環(huán)交匯焊縫處均出現(xiàn)多處不同程度地貫穿性裂紋（如圖1）。G2機組轉輪在6個葉片上共出現(xiàn)6處裂紋，裂紋起裂點均位于葉片與上冠或下環(huán)相聯(lián)接的焊縫上，其中靠近上冠1處，靠近下環(huán)5處；G3機組轉輪在11個葉片上共出現(xiàn)13處裂紋，其中靠近上冠4處，靠近下環(huán)12處，裂紋起裂點一部分位于葉片與上冠或下環(huán)相聯(lián)接的焊縫上，一部分位于焊縫與葉片交界處，還有一部分出現(xiàn)在葉片上，且均為貫穿性裂紋。

圖1 轉輪裂紋部位示意圖

1 轉輪裂紋成因分析

混流式水輪機因其葉片角度無法調節(jié)，在電站運行在最優(yōu)區(qū)以外的工況時，水流角度與葉片設計角度不一致而形成沖角，在葉片進口沖角過大，會形成葉道渦；出口非法向出流，會形成尾水管渦帶；水流流經(jīng)葉片后在出水邊正、背面脫離，會形成卡門渦并以一定的頻率從葉片脫落，如此頻率與葉片的自振頻率接近，則會引起共振，并產(chǎn)生高頻聲音。以上3種情況，均會對轉輪和葉片產(chǎn)生交變應力。在交變應力作用下，會在焊接缺陷處造成材料破壞而產(chǎn)生裂紋，或者在高頻的交變應力作用下對葉片材料造成疲勞破壞而最終產(chǎn)生裂紋。

1.1 卡門渦引發(fā)葉片共振

在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，經(jīng)過非線性作用后，形成卡門渦街[1]。卡門渦脫落頻率可由下式計算：

式中，F(xiàn)為卡門渦街的釋放頻率，St為因數(shù)（稱為斯特羅哈數(shù)），V為流體流動速度，d為柱狀物寬度。

國內外不少水電站在投入運行后，出現(xiàn)與上述情況相類似的裂紋。斯里蘭卡M壩水電站G2、G3機組在30 d試運行過程中，當發(fā)電機負荷帶至3 500～5 500 kW時，頂蓋振動異常增大，在錐管進人門處，明顯感受到強烈的振感，以及噪音異常，最大時達110 dB。當葉片出水邊卡門渦街頻率與轉輪葉片固有頻率耦合時，則會產(chǎn)生共振，在葉片出水邊產(chǎn)生高頻交變應力，導致在葉片高應力區(qū)出現(xiàn)裂紋。

1.2 尾水渦帶產(chǎn)生的影響

G2、G3機組最大水頭與額定水頭比值偏大，達1.235，且水頭變幅大。這種情況下，當機組在最大水頭的小負荷工況下運行時，容易形成葉道渦。此時，轉輪葉片進口，水流沖角發(fā)生改變，偏離最佳區(qū)域，水流紊亂形成漩渦，再加上整個轉輪出口的旋轉水流，在尾水進口形成一個大漩渦（尾水管渦帶），尾水渦帶稍有偏心就形成脈動壓力，使轉輪形成旋轉徑向推力引起機組振動[2]。如果此頻率與機組固有頻率一致時，則會引起機組強烈振動，轉輪葉片承受葉道渦產(chǎn)生的高頻交變應力，此種工況下運行，破壞性強，對轉輪非常不利，在葉片薄弱環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)裂紋。

2 葉片裂紋修復措施

轉輪葉片裂紋修復主要施工工藝流程如下：

施工準備→轉輪葉片整體檢查→裂紋處理→轉輪葉片補焊→裝配“三角塊”→修磨→修磨出水邊倒角→檢測。

2.1 檢查轉輪葉片

為確認是否存在肉眼無法發(fā)現(xiàn)的細微裂紋，需對整個轉輪葉片進行PT或MT檢查，并進行UT檢查，確認所有裂紋的位置，并進行標記。

2.2 裂紋處理

（1）為防止在裂紋處理過程中，裂紋進一步的增大，首先需在裂紋端部鉆出止裂孔，孔徑為6 mm。對于細小裂紋可直接修磨清理。

（2）裂紋清理及開坡口

1）清理裂紋及周圍50 mm范圍內的水、油、銹蝕等雜物。

2）用角向砂輪或碳弧氣刨清理。碳弧氣刨用于葉片較厚處，必須間斷使用，然后用砂輪磨去滲碳層，露出金屬光澤，修磨出利于焊接的坡口。葉片較薄部位直接用砂輪去除缺陷并修磨出單面坡口或直接磨透，背面加不銹鋼襯板（焊接后去掉襯板并修磨）。

3）對于錯邊的裂紋，先復位，并焊接搭塊（不銹鋼）固定把合復位。

（3）裂紋焊接，焊接按下列順序進行補焊

1）對于整體轉輪葉片補焊采用對稱位置焊接；對于單個葉片，采用兩邊交替、對稱焊接方式；控制轉輪及葉片的變形。

2）用小的不銹鋼板，支撐在裂紋兩邊，固定，防止裂紋錯口。

3）對補焊區(qū)域進行局部預熱，預熱溫度為70～80℃，使用履帶式遠紅外加熱板預熱（或用火焰加熱）。

4）用與轉輪同等材質或材料性能相近的焊條進行補焊。采用小規(guī)范施焊：直流反接。

Φ2.5 mm，I=60～70 A

Φ3.2 mm，I=80～100 A

焊接前焊條須經(jīng)250℃烘干1 h，隨烘隨用，并用保溫桶保溫。

5）焊接時不可局部過熱，層間溫度控制在100℃；中途停止焊接時應繼續(xù)加熱保溫或采取后熱保溫緩冷。

6）每焊接一道，用小錘敲擊，去除藥皮及飛濺物并延展焊道；并用豪克能消應力設備消除應力集中。

7）采用多道、多層焊接，及時清理層間藥皮及飛濺物，每層的厚度不能大于3 mm，控制焊縫表面質量，防止咬邊。焊條盡量不擺動；每層焊接接頭錯開20 mm左右。

2.3 焊接三角塊

（1）裂紋補焊完成后，在葉片出水邊與上冠、下環(huán)相交位置加三角塊（如圖2），裝配時有礙事位置，可以氣割和修磨三角塊，使其與原葉片位置貼合，控制裝配間隙，并點焊牢固。

圖2 三角塊布置示意圖

（2）先焊接三角塊與上冠、三角塊與下環(huán)的坡口焊；再焊接與葉片接縫的坡口焊；最后在三角塊周邊起圓弧焊角；焊接要求與 2.2 中（3）裂紋焊接的 3）、4）、5）、6）、7）項要求相同。

（3）焊出R的圓角符合圖紙；并修磨圓滑過渡，減少應力集中。

2.4 修磨出水邊

（1）按型線修磨光所有補焊處（如圖3），具備無損檢測要求。

（2）對補焊焊縫及周邊50 mm范圍內進行PT或UT探傷檢查。

（3）整體對葉片進行UT檢查，確保無裂紋等缺陷存在。

（4）對轉輪尺寸進行整體檢測，符合圖紙要求。

3 結語

圖3 葉片型線修磨示意圖

混流式水輪發(fā)電機機組轉輪葉片出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，在國內外從大到小的電站中多有發(fā)生，非正常工況運行及卡門渦引發(fā)的葉片共振是裂紋產(chǎn)生的主要原因。在葉片出現(xiàn)裂紋后，將出水邊鈍邊修型是國內外最常用的處理卡門渦引起裂紋的處理方法，通過修型，提高卡門渦脫流的頻率，使之與葉片自振頻率錯開，避免共振，從而大幅減小作用在葉片上的交變應力。葉片出水邊與上冠、下環(huán)相交處為轉輪葉片上應力最大、易產(chǎn)生應力集中的部位，在該位置加焊三角塊，可以避免應力集中，改善應力分布，從而提高葉片的強度。綜合來說，降低作用在葉片上的交變應力，增強葉片在關鍵部位的強度，以及合理選擇機組運行工況，三者結合達到避免再次產(chǎn)生裂紋的效果。