抽水蓄能電站水輪機轉輪葉片失效分析及防護

張雪超，程 璐，房文軒，云 峰，王文豪

（1.內蒙古電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020；2.呼和浩特供電局，內蒙古 呼和浩特 010050）

0 引言

隨著光伏發電、風力發電、核能發電等新能源發電方式所占比例的增加，電力系統對電網調峰能力提出了更高的要求。雖然火電機組調峰性能好，但深度調峰所帶來的劇烈的負荷變化以及頻繁的啟停對火電機組設備的壽命造成很大的威脅［1］。抽水蓄能電站調峰性能好，同時還可以盡量減少電網中火電機組的負荷波動和啟停頻率，保證火電機組在較好工況下平穩運行，能夠節約能耗，減少有害氣體排放，在技術上和經濟上具有明顯優勢［2］。

對抽水蓄能電站設備進行定期檢修，能夠及時發現設備存在的問題，預防潛在的風險，提高設備利用率，是減少非正常停機的重要措施［3］。對于抽水蓄能電站金屬設備的檢驗監督執行DL／T 1318—2014《水電廠金屬技術監督規程》。抽水蓄能電站金屬技術監督的主要部件包含水輪機部件、發電機主要部件、螺栓緊固件以及其他金屬附屬結構件和氣、水、油管道。根據監督規程要求，各單位做好檢修規程，認真對待檢修工作，做到到期必修、修必修好。

結合日常抽水蓄能電站的金屬檢驗和監督工作，通過分析抽水蓄能電站水輪機轉輪葉片的失效形式和失效原因，提出相應的預防和治理措施，為抽水蓄能電站運行、維護、檢修過程中，設備安全運行的保障措施和防治措施提供參考和依據。

1 水輪機轉輪葉片失效案例

DL／T 1318—2014 規定，對水輪機的檢驗部件包括大軸、轉輪、泄水錐、導葉及操作機構等；對發電機的檢驗部件包括大軸、轉子、風扇葉片、機架等；其他檢驗部件包括螺栓緊固件、閘門、閥門、管道等［4］。易出現缺陷和失效的部件主要是轉輪葉片。

巴西的Itumbiara 水電站在投運后很短時間，在固定導葉上出現多處裂紋缺陷［5］，通過分析，認為導葉出口的卡門渦頻率與固定導葉的固有頻率相近，發生共振；國內的小浪底水電站6 號機組運行1 300 h后，有13 個葉片在葉片出水邊近上冠處均出現了裂紋缺陷，而且多為貫穿性缺陷裂紋［6］，長約100～400 mm，導致裂紋產生的一個重要原因是葉片出水邊卡門渦頻率與轉輪固有頻率頻率接近，產生的激振力造成葉片產生疲勞裂紋；俄羅斯列寧格勒工廠設計的某水電站，運行6 年后在葉片出水邊出現多處穿透性裂紋［7］，國內的五強溪水電站［8］大修時也發現有7 片葉片在葉片出水邊近上冠處有貫穿性裂紋，通過分析，2 個案例中裂紋都是典型的損傷疲勞裂紋，裂紋產生的主要原因是葉片的動應力和殘余應力。

在某抽水蓄能電站4 號機組大修中，9 個轉輪葉片在葉片與上冠、下環結合部位均發現多處圓形缺陷，缺陷直徑分布在1.1～1.9 mm 之間，葉片與上冠結合部位還存在2 處線性缺陷，其長度分別為2.9 mm、2.1 mm，如圖1 所示。該類缺陷對水輪機安全穩定運行造成了潛在威脅。

圖1 轉輪葉片裂紋位置和檢測結果顯示

2 水輪機轉輪葉片裂紋的特征與檢測

根據裂紋產生的外部環境和內在特征，可將轉輪葉片上的裂紋歸為兩類［9］：一類是設備在短時間的運行后即產生的裂紋缺陷，也稱為非預期的異常損傷裂紋，這類裂紋缺陷主要是由于快速共振引起的，產生時動載荷頻率高，幅值大，發生時間短；另一類是設備在正常穩定的工況下，經過較長時間的運行，在轉輪葉片上產生的裂紋，也稱為預期壽命內產生的裂紋，這類裂紋為疲勞累積損傷裂紋，其疲勞損傷的累積達到一定程度后才發生。

2.1 轉輪葉片裂紋的宏觀特征及現場檢測

工程人員和研究人員對轉輪葉片裂紋的產生做了實踐和理論分析［10］，認為葉片疲勞裂紋最容易出現在2 個變截面處： 葉片出水邊與上冠連接處和葉片出水邊與下環的連接處。這兩處是葉片最大應力發生的部位，也是最容易發生疲勞破壞的部位。

在實際檢測時，主要對上述部位進行宏觀檢驗和滲透檢驗。通過對變截面處的表面檢驗，可以及時發現氣孔、微小裂紋等缺陷，預防事故的發生。

2.2 轉輪葉片裂紋的微觀特征

根據運行特征對混流式水輪機轉輪葉片出現的裂紋進行區分，可分為規律性裂紋和非規律性裂紋。其中，絕大多數規律性裂紋具有典型的疲勞裂紋特征［11］，斷口形狀由疲勞裂紋源區、疲勞裂紋擴展區和瞬時斷裂區3 部分組成，表現為“貝殼”狀或“海灘”狀條紋。規律性裂紋大部分為貫穿性裂紋，向葉片一側延伸，走向完全相同，呈不規則拋物線狀，與上冠夾角逐漸變化到45°左右；計算發現最大主應力方向與水平方向間的夾角大致為90°左右，近似垂直于裂紋斷面，屬于拉應力。

非規律性裂紋，斷口形狀不規則，有的呈龜裂紋，有的呈脆性斷口，多半是由于材料缺陷或突變的載荷變化造成。

3 水輪機轉輪葉片裂紋產生原因分析及預防

3.1 在長期正常運行工況下的高周疲勞破壞

對產生裂紋的水輪機葉片進行失效分析，結合斷口的形貌和金相特征，可以看到斷口具有典型的疲勞破壞特征。高周疲勞是指零件在小于或遠小于材料屈服應力的循環載荷作用下產生的疲勞破壞。其主要特點是： 應力遠小于材料的屈服極限或強度極限；脆性斷裂，沒有顯著的塑性變形；疲勞壽命一般循環次數在10 次以上［5］。轉輪葉片在運行過程中長期承受較大的交變應力載荷。

當前大多數水輪機轉輪葉片產生裂紋的主要原因是長期交變載荷引起的高周疲勞破壞。一方面需要在水輪機設計時充分考慮葉片的抗動載荷性能，使轉輪葉片在較小的交變應力下運行；另一方面也要考慮擇優選材，提高葉片的硬度和強度，提高其抗疲勞能力。

3.2 非預期的異常損傷破壞

在水輪機的設計和制造過程中，要求水輪機按照設計參數運行。但在實際運行過程中，由于環境、負荷等因素，運行工況會偏離最優的運行參數，導致尾水管渦帶、卡門渦以及葉道渦等產生的激振力頻率與轉輪葉片的固有頻率接近或相等，就會造成水輪機轉輪葉片的應力集中部位產生快速共振裂紋。

非預期的異常損傷通常需要在設計時充分考慮到葉片的模態分析，對于該類異常振動，要預防共振的發生，需要采用模態分析方法使水輪機葉片的固有頻率避開卡門渦等干擾力頻率；另一方面，盡量保證運行工況穩定，且在設計的運行工況下進行。

3.3 焊接殘余應力促使轉輪葉片產生失效

在制造過程中，由于焊接工藝不規范、焊后熱處理不到位的影響，使得轉輪葉片在投運后依然存在較大的殘余應力，當殘余應力較大時，會導致轉輪及葉片的微小裂紋迅速擴展，以至于造成葉片的開裂或斷裂，發生事故。

防止焊接殘余應力導致的轉輪葉片失效問題，需要在設備安裝或維修補焊過程中，嚴格按照水輪機設備焊接工藝規程要求進行焊接和熱處理，并在熱處理24 h 后做好相應的檢驗工作。

通常情況下，葉片的疲勞損傷由多種因素（如水力壓力、共振負荷、焊接殘余應力等）相互影響、耦合所致。轉輪葉片在實際工作中承受的應力通常小于葉片材料的強度極限，但由于受到動載荷的持續作用，經過長時間的持續作用，最終導致葉片產生裂紋。

4 水輪機轉輪葉片裂紋處理

裂紋處理的關鍵是找出產生裂紋的根本原因。非規律性裂紋一般比較好分析，針對規律性裂紋進行原因分析常比較復雜。規律性裂紋進行原因分析最有力的手段就是破壞部位的動應力測試，從應力頻譜中分解出構成動應力主要分量的頻率和幅值，進而跟蹤查出相應的水力激振源。

對于已經產生的裂紋，首先進行機械打磨，消除裂紋缺陷。為阻止裂紋繼續延伸，在裂紋兩端打止裂孔，孔徑應不小于6 mm，在清理裂紋時，若有新的擴展趨勢，應停止清理并追加止裂孔。

當打磨程度較大時，對缺損部位進行補焊處理，補焊過程要制定嚴格的焊接工藝，從人員、設備和制度上保證焊接修復的有效性。同時也可以在葉片上噴涂抗磨蝕涂層，增強葉片的抗磨蝕性能，減小葉片表面微小裂紋產生的可能性，減少裂紋源。

5 結語

水輪機轉輪葉片是水輪機的重要部件，是進行能量轉化的關鍵部件，其失效會影響整個水電機組的正常、穩定、安全運行，會造成重大的安全威脅和經濟損失。重點闡述了水輪機轉輪葉片失效的典型形式和特征，并探究了相應的原因和預防措施，最后提出了已發生失效的處理措施。上述研究未對各類失效形式進行量化分析，在后續研究中，將增加研究案例，并對各類失效進行模擬與試驗對照分析。