水電廠機組轉輪上冠止漏環裂紋分析及處理

陳世程，邵飛燕，方戊強

（四川省紫坪鋪開發有限責任公司，四川 成都 610039）

0 引言

紫坪鋪水力發電廠位于成都市西北60 余km的岷江上游（汶川映秀至都江堰段），是一座以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪、環境保護等綜合效益的I 等大（1）型水利樞紐工程，控制流域面積22 662 km2，占岷江上游流域面積的98%。紫坪鋪水力發電廠由擋水大壩、泄洪排沙系統和引水發電系統組成，主要建筑物鋼筋混凝土面板大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、沖沙放空洞、引水發電系統進水口為1 級建筑物，按1 000 年一遇洪水設計洪峰流量8 300 m3/s，最大洪水校核洪峰流量12 700 m3/s，地震設計烈度為Ⅷ度。正常水位877.00 m，死水位817.00 m，汛限水位850.00 m，防洪高水位861.60 m，設計洪水位871.20 m，校核洪水位883.10 m，水庫庫區面積18.16 km2，總庫容11.12 億m3；總裝機容量76 萬kW，多年平均發電量34.17 億kW·h。

1 概述

紫坪鋪水力發電廠總裝機容量為76 萬kW，安裝4 臺單機容量為19 萬kW 的混流式水輪發電機組，最高水頭132.76 m，最低水頭68.40 m，水頭變幅較大，開停機次數較多，對機組的運行穩定性和靈活性的要求高，要求水輪機設備能安全、可靠運行。因此，水輪機轉輪選用俄羅斯LMZ 公司提供的PO140-LJ-485 型轉輪，轉輪最大壓力脈動雙振幅值為△H/H=7%，葉片為鋼板模壓成型數控加工，將上冠、下環和葉片焊接成一體，轉輪為整體轉輪，并且只出現在低水頭的部分負荷地方，該工況運行時間很少，能量性能符合紫坪鋪電站要求，高效區寬廣，運行區域優良，并有相當大的超出力能力。

1.1 轉輪主要附件

轉輪主要附件見表1。

表1 轉輪主要附件

1.2 轉輪技術參數

轉輪技術參數見表2。

表2 轉輪技術參數

1.3 基本原理

把水流的能量如動能、勢能轉變為機組的機械能。

2 裂紋的發現與檢測

紫坪鋪水力發電廠2 號機組汛后檢修時對轉輪上冠進行滲透探傷檢測（PT），檢測發現轉輪上冠與上止漏環封焊焊縫存在3 處缺陷：4 號葉片附近存在400 mm 裂紋，其中連續裂紋長度達250 mm；9 號、10 號葉片附近存在較少裂紋，長度僅幾毫米；11 號葉片附近存在150 mm 裂紋且較為明顯。

2.1 缺陷情況

缺陷情況見圖1～圖3。

圖1 4 號葉片附近焊縫缺陷

圖2 9 號～10 號葉片附近焊縫缺陷

圖3 11 號葉片附近焊縫缺陷

2.2 轉輪及止漏環剖視圖

轉輪及止漏環剖視圖見圖4。

圖4 轉輪及止漏環剖視圖

3 轉輪上冠止漏環裂紋缺陷原因分析

3.1 運行工況的因素

2019 年04 月，四川電網采用小網運行，系統容量小，容易受到負荷波動影響，省調要求紫坪鋪電廠投入AGC 運行，以便于隨時調頻。在AGC 投運前，電廠運行人員主要根據四川省調值班調度員的指令或當日負荷曲線進行有功功率調整，可人為對每臺機組的有功負荷進行單獨調整，亦可對負荷變化趨勢進行預判，具有一定的靈活性，能最大限度地避免機組頻繁地跨振動區運行。在AGC 投運后，系統無法對負荷變化趨勢進行預判，機組是否跨越振動區運行完全由負荷情況決定，當AGC 有功設定值與實際值超差大于跨振動區有功死區且機組不跨越振動區無法調整時，就會有機組跨越振動區運行。AGC 控制實質上是根據系統負荷“差值”進行調節，而系統負荷總在不斷地變化，新的負荷給定值源源不斷地下發，AGC 的調節在不斷進行，因此，發電廠在投入AGC 后，機組運行時“調節過程”所占的時間將遠大于“非調節”時間，大部分機組的運行工況由原固有的靜態運行轉換為動態運行，動態調節成為發電機組的常有工況。這段時間內，機組在特定水頭、特定負荷以及負荷變化過大導致渦流現象，轉輪受到沖擊出現強烈振動、異常響聲，雖設置了強迫補氣裝置減少水工建筑、水輪機各部件的振動、異響問題，但是在特定工況下依然存在影響機組轉輪等重要部件的振動及交變應力。

3.2 設備的因素

2 號機組在汛后A 級檢修后，進行定、轉子空氣間隙測量，上端軸止口中心復測，轉子磁極圓度、垂直度及中心高程測量，機組中心及軸線調整等，其中定、轉子空氣間隙部分數據超標見表3。

表3 2 號機組A 級檢修定、轉子空氣間隙測量記錄 單位：mm

2 號機組空氣間隙部分數據超標，磁場會不均勻，可能導致定轉子之間磁拉力變化引起振動及噪聲，通過主軸傳遞到水輪機設備，主軸擺動產生的諧振可能導致轉輪部件焊接處疲勞失效區域的產生和擴展。分別在2 號機組正常運行狀態、異常狀態、停機狀態下，對2 號機組上導、下導/推力、水導軸承振擺、上機架、下機架、頂蓋振動，3 部軸承瓦溫、油溫進行檢查，各部振擺、溫度均正常。

3.3 水力的因素

紫坪鋪水力發電廠水輪機的運行，既要適應蓄水位的大幅度變化，又必須適應供水期滿足下游綜合用水要求的低負荷長期運行考驗，HLPO140 水輪機轉輪具有良好的空化指標，但是長時間在特定負荷工況下運行也將使水輪機上冠部分、葉片出水邊靠上冠部分、葉片進水邊背面產生較為嚴重的汽蝕破壞；HLPO140 水輪機轉輪不可調節的特性，使其在偏離最優工況時會受到沖擊和脫流，此間，在高水頭時產生轉輪進口邊背面脫流及較大出口負環量，形成復雜旋渦運動，隨著振擺幅度增大發生壓力脈動，而旋渦受尾水管壁的作用，形成一個上下反復浮動的激振源，使轉輪上冠、下環、葉片不斷受壓；在低水頭時產生轉輪進口邊背面脫流及較大的出口正環量，使水輪機在區域內出現較強的渦帶和嚴重的葉道渦，水流分離成片狀渦串通過轉輪上冠、下環、葉片的流道流出，導致水輪機振動加劇，誘發轉輪設備出現裂紋缺陷[1]。

3.4 應力的因素

紫坪鋪電廠水輪機轉輪工作時，水流帶動轉輪轉動，在水壓力及離心力的作用下產生震蕩應力區，大應力區主要分布在轉輪葉片周邊，大應力區中的4 個高應力區分別為：葉片進水邊正面靠近上冠處、葉片出水邊背面靠近上冠處、葉片出水邊正面中部、葉片與下環連接處；轉輪周期性的負載變化會導致應力發生急劇變化，這些變化對轉輪金屬材料的疲勞抗性產生緩慢影響；加之轉輪上冠、下環和葉片焊接成一體，在焊接過程中，如果存在夾渣、氣孔等不當工藝,或者消氫處理不徹底，就會造成局部應力集中缺陷以及氫致裂紋，這些缺陷在外部應力的作用下最終會轉變為微裂紋源，雖然裂紋會延遲發生，但轉輪在長期運行下會導致金屬材料老化及疲勞裂變，最終裂紋加深、擴大，造成設備缺陷[2]。

3.5 磨蝕的因素

水輪機過流部件在含沙水流中工作時發生空蝕和沖蝕統稱磨蝕。紫坪鋪水力發電廠為高比速混流式水輪機，磨蝕嚴重的主要部件是轉輪葉片進水邊靠近上冠和下環處、下環內表面和葉片出水邊靠近下環內表面處；轉輪葉片與上冠下環的連接處磨蝕最嚴重，從進口到出口邊磨蝕范圍逐漸加大，磨蝕程度逐漸加深，形成一個磨蝕三角區。形成三角區磨蝕的主要原因是轉輪葉片間的二次回流引起的脫流，在二次回流的作用下，脫流渦使沙粒以較大的沖角打擊轉輪；此區域也是最高流速區和焊接影響區，水流含沙濃度最大，在高轉速下獲得附加動能，加速轉輪的磨蝕；在水庫上游區域出現暴雨、山洪、泥石流等自然災害時，磨蝕更為嚴重。

通過以上分析，水輪機轉輪裂紋是由多種因素共同引發的，2 號機組轉輪上冠止漏環裂紋產生的主要原因為轉輪運行中上冠處承受的基本壓力較高，3 類情況下的應力集中，產生的交變應力在高頻振動工況下不斷加劇，致使上冠止漏環處金屬材料疲勞，而磨蝕加劇了破壞程度及區域面積的擴大，最終導致不同程度的裂紋產生。

4 裂紋的處理

4.1 清理及加熱工藝

轉輪裂紋，尤其是高應力區的裂紋，一經發現就應盡早補焊處理。①要有經過驗證的成熟工藝，由具有專門經驗的焊接工程師指導,選擇優秀焊工嚴格按工藝認真完成補焊工作，同時做好焊接過程和焊后的錘擊去應力和焊縫質量檢查；②選擇焊接材料熔敷金屬力學性能（≥580 MPa)、抗裂性能優良的不銹鋼焊材為佳。由于是在現場處理，轉輪室內環境潮濕，相對濕度大于90%，存在機組滲水等惡劣環境。焊條按說明書烘焙，并保存在保溫箱中，保溫箱應預先加熱，溫度保持在120～150℃；針對線性缺陷，采用角磨機和旋轉銼的方式清理缺陷，缺陷清理部位按ASME 標準進行PT 探傷，確認缺陷清理干凈；將待焊區域及附近50 mm 的油污、水分等雜質和異物清理干凈。施焊前，用火焰加熱方式預熱待焊區域及鄰近區域，加熱應均勻，使待焊區域及其附近75 mm 范圍內≥80℃；焊接過程中，在焊接覆蓋前一道熔敷金屬以前，應清除所有焊渣，同時焊縫及鄰近的母材亦應采用磨、刷或用其他合適的方法清理干凈；焊接修復轉輪缺陷后，采用保溫毯覆蓋緩冷處理[3]。

4.2 焊接及打磨探傷

將待補焊部位四周50 mm 范圍內進行局部預熱，預熱溫度大于等于80℃，預熱后，采用AWS E309MoL 電焊條進行焊接，焊前焊條必須按焊條使用說明書進行烘干。手工電弧焊焊接工藝規范按表4 要求進行；焊接時，焊縫表面應高于母材表面3 mm，作為打磨余量。粗磨焊縫表面，特別注意過渡區域的打磨和防止打磨縮頸；精磨和拋光焊縫表面，與周邊區域平滑過渡；對相關打磨區域按ASME標準PT 檢查；按上述要求2 號機組轉輪上冠止漏環裂紋處理后，經VT、PT、UT 檢查探傷合格。

表4 手工電弧焊焊接工藝規范

5 結語

紫坪鋪水利發電廠2 號機組轉輪上冠上止漏環裂紋修復完成后投入使用，截止到目前為止設備運行良好。水輪機轉輪上冠止漏環出現裂紋缺陷，嚴重影響水輪機設備安全穩定運行及經濟效益的發揮，合理安排發電負荷，采取合理的運行方式優化水頭區間進行預防，堅持避振運行，在檢修中采取無損探傷檢測后進行打磨補焊處理，發現的缺陷及時處理，可以降低類似缺陷的發生從而提高水輪機的安全穩定性，保證機組穩定運行。