斯里蘭卡M壩水電站轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析及修復(fù)措施

金宇鵬

（中國水利水電第十四工程局有限公司機(jī)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(jī)容量為25 MW，分別為2臺(tái)5 MW和2臺(tái)7.5 MW立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。其中2臺(tái)7.5 MW水輪發(fā)電機(jī)組（以下分別簡稱為G2、G3機(jī)組）由某公司設(shè)計(jì)，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為272.73 r/min，額定水頭34 m，最大水頭42 m，轉(zhuǎn)輪由上冠、葉片（共15片）及下環(huán)三部分組成，轉(zhuǎn)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(jī)完成并進(jìn)行調(diào)試工作。

2018年上半年G2、G3機(jī)組分別進(jìn)行了72 h試運(yùn)行和30 d運(yùn)行考核，在30 d運(yùn)行考核結(jié)束后，打開尾水管進(jìn)人門對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)G2&G3機(jī)組轉(zhuǎn)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(jī)組轉(zhuǎn)輪在6個(gè)葉片上共出現(xiàn)6處裂紋，裂紋起裂點(diǎn)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(jī)組轉(zhuǎn)輪在11個(gè)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(diǎn)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(zhuǎn)輪裂紋部位示意圖

1 轉(zhuǎn)輪裂紋成因分析

混流式水輪機(jī)因其葉片角度無法調(diào)節(jié)，在電站運(yùn)行在最優(yōu)區(qū)以外的工況時(shí)，水流角度與葉片設(shè)計(jì)角度不一致而形成沖角，在葉片進(jìn)口沖角過大，會(huì)形成葉道渦；出口非法向出流，會(huì)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(huì)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(huì)引起共振，并產(chǎn)生高頻聲音。以上3種情況，均會(huì)對轉(zhuǎn)輪和葉片產(chǎn)生交變應(yīng)力。在交變應(yīng)力作用下，會(huì)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(yīng)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(shí)，物體兩側(cè)會(huì)周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)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(jì)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(dòng)速度，d為柱狀物寬度。

國內(nèi)外不少水電站在投入運(yùn)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(jī)組在30 d試運(yùn)行過程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷帶至3 500～5 500 kW時(shí)，頂蓋振動(dòng)異常增大，在錐管進(jìn)人門處，明顯感受到強(qiáng)烈的振感，以及噪音異常，最大時(shí)達(dá)110 dB。當(dāng)葉片出水邊卡門渦街頻率與轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率耦合時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生共振，在葉片出水邊產(chǎn)生高頻交變應(yīng)力，導(dǎo)致在葉片高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)裂紋。

1.2 尾水渦帶產(chǎn)生的影響

G2、G3機(jī)組最大水頭與額定水頭比值偏大，達(dá)1.235，且水頭變幅大。這種情況下，當(dāng)機(jī)組在最大水頭的小負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，容易形成葉道渦。此時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)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(gè)轉(zhuǎn)輪出口的旋轉(zhuǎn)水流，在尾水進(jìn)口形成一個(gè)大漩渦（尾水管渦帶），尾水渦帶稍有偏心就形成脈動(dòng)壓力，使轉(zhuǎn)輪形成旋轉(zhuǎn)徑向推力引起機(jī)組振動(dòng)[2]。如果此頻率與機(jī)組固有頻率一致時(shí)，則會(huì)引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，轉(zhuǎn)輪葉片承受葉道渦產(chǎn)生的高頻交變應(yīng)力，此種工況下運(yùn)行，破壞性強(qiáng)，對轉(zhuǎn)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(fù)措施

轉(zhuǎn)輪葉片裂紋修復(fù)主要施工工藝流程如下：

施工準(zhǔn)備→轉(zhuǎn)輪葉片整體檢查→裂紋處理→轉(zhuǎn)輪葉片補(bǔ)焊→裝配“三角塊”→修磨→修磨出水邊倒角→檢測。

2.1 檢查轉(zhuǎn)輪葉片

為確認(rèn)是否存在肉眼無法發(fā)現(xiàn)的細(xì)微裂紋，需對整個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行PT或MT檢查，并進(jìn)行UT檢查，確認(rèn)所有裂紋的位置，并進(jìn)行標(biāo)記。

2.2 裂紋處理

（1）為防止在裂紋處理過程中，裂紋進(jìn)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(xì)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(nèi)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(cuò)邊的裂紋，先復(fù)位，并焊接搭塊（不銹鋼）固定把合復(fù)位。

（3）裂紋焊接，焊接按下列順序進(jìn)行補(bǔ)焊

1）對于整體轉(zhuǎn)輪葉片補(bǔ)焊采用對稱位置焊接；對于單個(gè)葉片，采用兩邊交替、對稱焊接方式；控制轉(zhuǎn)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(cuò)口。

3）對補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行局部預(yù)熱，預(yù)熱溫度為70～80℃，使用履帶式遠(yuǎn)紅外加熱板預(yù)熱（或用火焰加熱）。

4）用與轉(zhuǎn)輪同等材質(zhì)或材料性能相近的焊條進(jìn)行補(bǔ)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(shí)不可局部過熱，層間溫度控制在100℃；中途停止焊接時(shí)應(yīng)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(yīng)力設(shè)備消除應(yīng)力集中。

7）采用多道、多層焊接，及時(shí)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(zhì)量，防止咬邊。焊條盡量不擺動(dòng)；每層焊接接頭錯(cuò)開20 mm左右。

2.3 焊接三角塊

（1）裂紋補(bǔ)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(shí)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(diǎn)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(xiàng)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(yīng)力集中。

2.4 修磨出水邊

（1）按型線修磨光所有補(bǔ)焊處（如圖3），具備無損檢測要求。

（2）對補(bǔ)焊焊縫及周邊50 mm范圍內(nèi)進(jìn)行PT或UT探傷檢查。

（3）整體對葉片進(jìn)行UT檢查，確保無裂紋等缺陷存在。

（4）對轉(zhuǎn)輪尺寸進(jìn)行整體檢測，符合圖紙要求。

3 結(jié)語

圖3 葉片型線修磨示意圖

混流式水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，在國內(nèi)外從大到小的電站中多有發(fā)生，非正常工況運(yùn)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(nèi)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(cuò)開，避免共振，從而大幅減小作用在葉片上的交變應(yīng)力。葉片出水邊與上冠、下環(huán)相交處為轉(zhuǎn)輪葉片上應(yīng)力最大、易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，在該位置加焊三角塊，可以避免應(yīng)力集中，改善應(yīng)力分布，從而提高葉片的強(qiáng)度。綜合來說，降低作用在葉片上的交變應(yīng)力，增強(qiáng)葉片在關(guān)鍵部位的強(qiáng)度，以及合理選擇機(jī)組運(yùn)行工況，三者結(jié)合達(dá)到避免再次產(chǎn)生裂紋的效果。