HLA835a转轮裂纹情况分析及处理

刘国章

摘 要：枫树坝水电厂水轮机增容改造运行3年后，2007—2013年转轮叶片均出现了较严重的裂纹。针对叶片裂纹，结合运行、设计制造、水力特性等对其进行分析，提出裂纹处理方案和控制裂纹的措施。

关键词：水电厂；HLA835a转轮；叶片裂纹；裂纹消除

中图分类号：TK730.3+23 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.21.093

1 机组概况

枫树坝水电厂位于东江上游干流，广东省龙川县境内，是以发电为主、兼具防洪和调度补水功能的综合枢纽工程。流域面积5 150 km2，水库为不完全年调节。正常高蓄水位166 m，发电消落水位147 m。坝内式厂房装有2台100 MW的混流式机组，一号水轮机型号为HLA83a-LJ-417，由哈尔滨电机厂有限公司生产，转轮叶片材料为ZG00Cr13Ni4Mo，13个叶片。机组额定转速为136.4 r/min，设计额定水头为61 m，采用短管和大轴中心自然补气方式，于2004-06-30改造后投产。

2 近3年转轮叶片裂纹情况统计

近3年转轮叶片裂纹情况统计结果如表1所示。转轮叶片裂纹如图1所示。

图1 叶片裂纹图

3 裂纹情况分析

根据国内大中型水轮机的运行统计，转轮出现裂纹的情况是相当普遍的，特别是叶片形状近“X”形的转轮，几乎很难避免。从裂纹产生部位来看，主要集中在叶片出水边较薄弱的地方，包括上冠和下环薄弱部位。本厂裂纹部位为靠近上冠出水边的“T”头焊缝处，多为穿透性疲劳裂纹，且多数重复出现。

4 转轮裂纹的主要原因

4.1 不利工况影响

根据2007—2010年度一号机组的运行负荷和时间统计分析，机组在45%Pt负荷以下运行时间超过50%，机组经过高水头和低水头长时间运行，存在10～45 MW的振动区，机组运行需要AGC投入运行。由于机组台数少，AGC避振运行难以实现，大部分运行水头段低负荷，机组无法避开振动区运行。

4.2 水轮机的水力特性和力学特性

水轮机在低水头、低负荷区运行时，由于叶片的出口正环量较大，进口边背面易脱流，因此转轮在该区易产生较强的涡带；在高水头、低负荷区，叶片的出口负环量较大，叶片背面脱流更大，因此转轮在该区域易产生较严重的叶道涡。在涡带工况产生的交变应力作用下，叶片会产生疲劳性裂纹，并扩展造成穿透性裂纹。

通过转轮建模分析，应用有限元强度计算，转轮在节径为1时，水中频率为30.57 Hz，与叶倍频数值f=nZ/60接近，易引起该部位的共振，产生疲劳破坏。

4.3 设计和制造不足

由于转轮叶片扭曲近似“X”形，其特点为过流能力强、效率高、适应水头变幅大，但叶片出水边较薄，出水边厚度为16～20 mm，叶片相对单薄，强度不足。同时，在不利工况下，转轮室真空负压区域自然补气困难，压力脉动和涡带等不利水力因素无法得到改善或消除。

检修时，发现叶片焊接区域存在较多的夹渣情况，说明转轮制造过程中质量控制不严，降低了焊接部位的疲劳强度。转轮在不利工况中运行时，易在交变应力作用下产生裂纹。

5 修复方案

5.1 需要的设备

除所需的常规焊接设备外，电厂现场焊接需要的特殊工器具和材料如表2所示。

5.2 返修工艺重点

返修工艺主要包括：①根据PT探伤检验结果，采用碳弧气刨的方法处理裂纹缺陷。清除裂纹区域，并修磨成可焊接的坡口。气刨前，要将工件区域预热至约130 ℃，将气刨表面打磨出金属光泽。气刨过程中，要防止裂纹扩展现象。②将待焊区域范围内的油、锈、水等有害杂质清除干净，然后按ASME标准进行UT探伤，直至确认无缺陷方可开始补焊。③焊前预热。待焊区域及附近要先预热，预热温度要在130 ℃以上，层间温度不高于260 ℃。④焊接方法为熔化极气体保护焊。⑤焊接工艺要求。电压为20～32 V，电流为90～120 A，运条速度为60～200 mm/min。⑥焊接时采用多层多道焊，除第一层和最后一层焊道外，逐层焊接后应通过锤击消除应力。⑦焊后清理杂物，打磨气刨表面，并按ASME标准进行PT探伤，直至确认无缺陷为止。

5.3 注意事项

注意事项包括：①修复焊条选用G367M。②焊条使用前需烘干。烘干后，存放在120 ℃焊条保温箱备用。③穿透性裂纹气刨时，需将一侧刨至焊缝厚度的约2/3再焊接。焊完后，再在另一侧气刨余下的1/3，再焊接完。如果发现缺陷，则要及时消除，并做UT探伤检测。另外，采用交替焊接控制变形。

6 改善和消除裂纹的控制措施

改善和消除裂纹的控制措施主要有：①改善机组的运行工况。在全面振动区的测试基础上，与调度机构协商好，在监控系统AGC程序中设置避开振动区运行的水头和对应负荷区，避免不利工况对转轮叶片产生损害。②加强对转轮叶片修复中焊接质量的监督管理，严格按焊接工艺方案作业，确保焊接修复的质量。修复叶片时，适当加厚焊接区域叶片出水边的厚度。③补强叶片，即在叶片出水边加焊三角块，以增加强度。④在试验计算的基础上，增设转轮顶盖强迫自动补气装置，消除叶道涡和涡带引起的水力振动等诱发裂纹产生的不利工况。

7 结束语

转轮裂纹的成因较为复杂，我们应通过分析，找出主要原因，然后采取有针对性的措施加以解决。电厂通过加装三角块补强，改善自然补气结构，转轮叶片运行超过1年也未发生裂纹损害。

〔编辑：王霞〕