重慶酉酬水電站機組轉輪裂紋分析研究

戴旭東，樊 湖，李 勇，夏海洋，何 海，冉曉波，李金偉

（1. 重慶酉水水電開發有限公司，重慶409809；2. 中國水利水電科學研究院，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縣東部酉酬鎮，距酉酬大橋上游約200 m處，距酉陽縣城73 km。電站安裝2臺60 MW混流式水輪發電機組，總裝機容量120 MW。年發電量3.92億kW·h，回水長度51.29 km。電站為季調節水庫，以發電為主，兼有改善庫區航運、發展旅游等綜合功能。

2臺機組先后于2008年底、2009年初投入運行，截止2017年底，已累計發電313 930.37萬kW·h。自2015年以來，2臺機組轉輪不同程度地出現裂紋，部分葉片呈貫穿性裂紋，盡管電站商請設備制造廠家浙江富春江水電設備有限公司對產生的裂紋進行了修復，但2018年初檢查發現，2號機組轉輪14個葉片有13個葉片均出現了裂紋，最嚴重的葉片裂紋長940 mm，呈貫穿性。

2 轉輪裂紋概況

2臺機組均為浙江富春江水電設備有限公司設計和制造，轉輪的上冠、葉片與下環的材質均為ZG06Cr16Ni5Mo。

2016年1月，在對2臺機組轉輪進行檢查時發現，1號機組轉輪葉片有1條明顯的裂紋，2號機組轉輪葉片有2條明顯的裂紋，最長達27 cm，均出現在葉片進水邊靠上冠處，如圖1所示。經電站方要求，浙江富春江水電設備有限公司安排技術工程師到現場對葉片裂紋進行了冷焊處理，采用CO2氣體保護電弧焊工藝。1號機組轉輪此后再無出現裂紋。

圖1 轉輪葉片裂紋情況

2017年2月，運行1年后，酉酬水電站2號機組轉輪葉片再次出現裂紋，在上冠和葉片焊縫附近靠葉片一側發現一條貫穿性裂紋，如圖2所示。

圖2 2號機組轉輪葉片裂紋情況

2018年2月，2號機組在檢修過程中發現有2個葉片出現裂紋，其中14號葉片裂紋呈現貫穿性，9號葉片裂紋較長（2片葉片均已處理過）。為確保電站機組長期安全穩定運行，電站方委托浙江富春江水電設備有限公司安排技術工程師到現場對轉輪進行全方位的無損探傷，結果發現除2號葉片完好，其他葉片均存在不同程度的裂紋，而后現場工程師對葉片出現的裂紋進行了修復處理。

2019年1月，2號機組進行例行檢修，14個葉片均未發現裂紋。

與大多數混流式水輪機轉輪裂紋不同，酉酬水電站2號機組轉輪葉片裂紋出現在進水邊與上冠聯接處。

3 裂紋原因分析

查閱大量的文獻可知，近些年混流式水輪機轉輪裂紋屢見不鮮，國內如三峽、天生橋一級、劉家峽、巖灘、李家峽、二灘、漫灣、五強溪等水電站[1-5]，國外如美國大古力、巴基斯坦塔貝拉、美國CHIEF JOSEPH、埃及阿斯旺、原蘇聯布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克、俄羅斯薩揚舒申斯克、緬甸太平江等水電站[5-6]均出現了轉輪裂紋，嚴重影響了電站的經濟效益，對設備安全運行帶來重大隱患。

3.1 材質

2號機組轉輪的上冠、葉片與下環的材質為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上，通過大幅度降低含碳量，同時將鎳的含量控制在4%到6%范圍內，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，還有良好的強度、韌性、可焊性以及耐磨性。

轉輪的上冠、葉片與下環在出廠時均經過檢驗，質量是合格的。

3.2 焊接工藝

轉輪的焊接工藝尤其是焊完葉片與上冠、下環處的殘余應力，對葉片裂紋的產生和發展有著重要的影響。2016、2017、2018連續3年的焊接工藝基本相同，是遵照現行焊接標準制定的，在操作細節上或許有所差異，但不應成為葉片出現裂紋的關鍵因素。

3.3 2號機組穩定性試驗

（1）測點布置及試驗設備

為掌握2號機組發電工況下的運行狀態，分析其對葉片裂紋產生和發展的影響，在3個水頭工況下開展了變負荷試驗。試驗測點如下：

1）擺度：下導和水導的+X、+Y方向各布置1個測點；

2）振動：上機架、下機架以及頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1個測點；

3）壓力脈動：蝸殼進口、無葉區以及尾水錐管進口各布置1個測點。

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，探頭長度50 mm，標準靈敏度4.00 mA/mm，非線性度0.8%，靈敏度偏差1.2%。

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

壓力脈動傳感器：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，精度0.25%。

測試儀：HT6000水輪發電機組狀態檢測與評估系統。

采樣頻率：1 kHz。

（2）靜水頭46.27 m時試驗數據

上游水位335.14 m，下游水位288.87 m，靜水頭46.27 m。

根據 GB/T 11348.5-2008/ISO 7919-5：2005《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發電廠和泵站機組》[7]：將水導擺度分為A區（標示，125 r/min 對應的分區值為 0～158.2 μm）、B 區（標示，對應的分區值 158.2～260.0 μm）、C 區（標示，對應的分區值260.0～525 μm）、D區（標示）。

表1 擺度峰峰值

由表1可以看出：2號機組在46.27 m靜水頭發電工況下運行時，水導擺度位于A區或B區，可無限制地長期運行，同時也可分析出機組負荷為25.50～36.00 MW（42.50%～60.00%滿負荷）時，尾水管出現螺旋狀渦帶。

根 據 GB/T 6075.5-2002 idt ISO 10816-5：2000《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發電廠和泵站機組》[8]，將頂蓋徑向振動分為A區（標示，對應的分區值為 0～30 μm）、B區（標示，對應的分區值 30～50 μm）、C 區（標示，對應的分區值 50～80 μm）、D 區（標示）。

表2 頂蓋振動峰峰值

由表2可以看出：頂蓋+Y向振動較+X向振動大，機組在渦帶工況區（25.50～36.00 MW）運行時，頂蓋徑向振動峰峰值位于C區，機組不宜長期持續運行。值得關注的是機組滿負荷工況運行時，頂蓋+Y向振動出現一個突變，且頂蓋垂直振動自30.00 MW后隨著負荷的增大而增大（導葉開度增大而增大），具體原因需要深入分析。

（3）靜水頭39.03 m時試驗數據

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號機組在39.03 m靜水頭發電工況下運行時，水導擺度位于A區或B區，可無限制地長期運行，同時也可分析出機組負荷為18.71～30.30 MW（38.11%～61.71%滿負荷）時，尾水管出現螺旋狀渦帶。

由表4可以看出：頂蓋+Y向振動較+X向振動大，機組在渦帶工況區（23.70 MW）運行時，頂蓋徑向振動峰峰值位于C區，機組不宜長期持續運行。值得關注的是機組滿負荷工況運行時，頂蓋+Y向振動出現一個突變，且頂蓋垂直振動自23.70 MW后隨著負荷的增大而增大，具體原因需要深入分析。

表4 頂蓋振動峰峰值

3.4 2號機組歷年運行水頭和運行平均負荷分析

由表5可以看出：2號機組自2015以來，運行平均水頭在43 m以上，運行平均負荷約54 MW（90%滿負荷），可以看出機組常年運行在相對比較穩定的負荷工況區，但引起頂蓋垂直振動偏大的水力激振力是造成轉輪葉片頻繁出現裂紋的重要原因。

表5 2號機組運行參數統計

4 結論與建議

4.1 結論

（1）根據2016年、2017年、2018年連續3年對2號機組轉輪裂紋的處理，以及1號機組自2016年后再未出現過轉輪裂紋的情況，可以判斷出2臺機組轉輪的制造和修復質量有所差異，也間接證明2臺轉輪在出廠時存在瑕疵。

（2）2號機組基本運行在水力狀況相對良好的90%額定負荷工況，常規水力因素對轉輪裂紋的產生影響較小。但此時頂蓋垂直振動較大，導致頂蓋垂直振動的水力激振力對葉片裂紋的產生和發展有較大的影響。

4.2 建議

進一步開展頂蓋垂直振動偏大的試驗和原因分析，在日常巡檢過程中重點檢查頂蓋與座環聯結螺栓是否有松動跡象。