某水电站转轮裂纹原因分析与处理

靳伟锋，张 毅

（湖南澧水流域水利水电开发有限责任公司，湖南 长沙 410004）

某水电站位于湖南省湘西北澧水流域上，为引水式水电站，由进水口、引水发电隧洞和电站厂房等建筑物组成。电站安装1 台15 MW 混流式水轮发电机组，设计水头50 m，主要任务是发电，年设计发电量3 765万kW·h，年设计利用小时数2 510 h，采用机变单元接线，升压至110 kV 接入地方电网，在地网中承担基荷运行。电站水轮机型号为HLA616-LJ-210，设计水头为50 m，发电机型号为SF15-22/4250。机组于2009 年5 月并网运行，电站生产运行及技术管理采取委托管理。水轮机具体参数如下：

型式：HLA616-LJ-210；额定转速：272.7 r/min；额定流量：33.84 m3/s；额定水头：50 m；工作水头：37.22～65.34 m；转轮材质：ZG06Cr13Ni4Mo（工程结构用中、高强度不锈钢）。

1 转轮叶片裂纹情况

2011 年3 月电站首次开展机变B 级检修, 发现机组转轮叶片上冠、下环出水边有不同程度的气蚀和裂纹。裂纹长度50～110 mm 不等，裂纹形状相似，大部分为贯穿型裂纹。裂纹的部位、长度、深度等情况见表1。图1、图2 分别为4#叶片下环处和上冠处裂纹。发现转轮叶片裂纹后，电站严格按生产厂家制定的处理方案进行了修复处理和无损探伤检测，处理完全后投入运行。但电站随后在2012、2013 年度检修时，发现转轮叶片开裂现象依然存在，且裂纹发生位置、性质与2011年裂纹基本一致，仍在叶片上冠、下环出水边“R”角焊缝处。

表1 转轮裂纹有关信息

图1 4#叶片下环处裂纹

图2 4#叶片上冠处裂纹

2 转轮叶片裂纹原因分析

由于转轮叶片出现多次裂纹且裂纹发生部位多在同一位置，每次转轮叶片裂纹修复导致检修工期延长，且影响机组的经济和安全运行。因此电站生产运行管理单位非常重视，2013 年组织业主、设备制造厂、检修单位及特邀专家进行专题研究，针对电站机组转轮裂纹产生的原因、解决措施进行分析和讨论。

对于混流式水轮机转轮裂纹产生的原因主要有以下几个方面：

1）应力方面。从力学及材料力学上来说，叶片裂纹的出现是叶片所承受的动应力超过了叶片材料疲劳强度极限的结果。导致叶片疲劳的主要来源为作用在其上的交变载荷，而交变载荷又由变化的水力自激振以及不断变化的水轮发电机组负荷产生。该电站在地区电网中担任基荷运行，开机后基本上就带满负荷运行，不存在严重交变载荷；且机组投运时间不长，年利用小时数不高，因疲劳损伤导致转轮叶片开裂的可能性不大。

2）设计方面。该机组采用的HLA616 型转轮为哈尔滨大电机研究所研发，最大使用水头75 m，比较适用于电站的实际运行工况（H=37.22～65.34 m）。HLA616 型转轮自1997 年开发以来，已在贵州岩寨（HLA616-LJ-164）、越南大松（HLA616-LJ-108）等多个电站使用，均未发生转轮裂纹的现象，故转轮设计方面不存在问题。

3）材质方面。电站转轮材质为马氏体工程结构用中、高强度不锈钢ZG06Cr13Ni4Mo，此钢材机械性能优良，在工业领域中应用非常广泛，水电设备中大型水轮机转轮等过流部件多采用该材料制造。从生产厂家提供的材质分析报告看，因材质原因引起转轮叶片裂纹的可能性较小。

4）制造工艺方面。制造工艺缺陷是引发转轮裂纹的重要原因之一，混流式机组转轮叶片型面为复杂的空间扭转曲面，断面为流线翼型。部分制造厂家为追求转轮高效率，转轮流线较高，更好地符合水流规律，导致转轮叶片的出水边往往较薄，叶片厚度不够，削弱了转轮叶片的刚度和强度，而往往导致裂纹产生。该电站转轮叶片出水边较薄，为4～5 mm，其刚度和强度不足，转轮叶片产生裂纹与之有较大关系。转轮焊接质量和焊接工艺若把控不到位也将导致转轮叶片裂纹产生。焊接质量不良主要表现在气孔、砂眼，焊接工艺不良将导致叶片局部存在较大残余应力。电站转轮上冠、下环、叶片是分别铸造后再焊接成型，虽然经过热处理，但仍有不可控因素致使叶片局部存在较大应力而在相对复杂的运行工况中产生裂纹。

经综合分析，初步判断导致电站转轮叶片裂纹产生的主要原因为电站转轮叶片出水边偏薄、焊接工艺及焊接质量不良引起。

3 转轮叶片裂纹处理方案

通过分析讨论，参会相关专家就电站转轮叶片裂纹处理方案进行了细致的商议，建议对转轮叶片采取补强处理。在生产运行管理单位的协助配合下，设备制造厂家在认真研究、广泛走访调研的基础上，提出在转轮叶片出水边裂纹处采用加三角铁补强处理方案，其采取的主要方法及工艺为：

1）HLA616 转轮为14 片叶片，考虑到转动件的平衡及稳定，对所有叶片均进行三角铁补强。

2）三角铁材料与叶片母材相同，其厚度保证原叶片厚度单边增加，同时制作弧形三角铁，以确保形线的精确度。

3）对三角铁及焊缝进行打磨修整，确保转轮出水边形状圆滑过渡，对叶片线型进行修复。三角铁焊接严格按照规范化焊接工艺进行，同时保证残余应力及时消除。

4）对所有焊接区进行UT、PT 无损探伤检测，不合格的进行补焊，直至合格为止。

5）三角铁补强及坡口示意如图3。

图3 转轮裂纹处三角铁补强示意图

由于电站现场条件有限，现场处理无法保证焊接质量和消除残余应力以及线型修复等工艺要求，故建议转轮返厂处理，以便保证各项工艺措施全部执行到位，确保转轮裂纹处理彻底。

生产运行管理单位与业主商议后最终确定，在2014 年对机组进行扩大性大修，在大修时按厂家优化后的处理方案进行转轮返厂处理。2013 年暂按2011 年、2012 年处理方案在现场修复并进行无损探伤检测，处理合格后投入运行。

4 结 语

水轮机转轮叶片裂纹是水电站比较常见的现象，严重影响着电站的安全、稳定与经济运行。本文从水力、设计、材质和制造工艺等多方面分析了HLA616-LJ-210 转轮产生裂纹的主要原因，针对转轮叶片裂纹产生的原因并结合国内电站转轮裂纹处理的方法，制定了合适的处理方案。

按照制定的处理方案，电站在2014 年汛后对机组进行了扩大性大修，转轮吊出返厂进行补强处理。处理后，经过6 年的运行检验，未再发现转轮叶片裂纹现象，证明该电站转轮裂纹原因分析正确，处理方案切实可行，返厂处理工艺及措施得当，彻底解决了影响该电站稳定运行的安全隐患，对国内其他水电站转轮叶片裂纹处理有一定的参考和借鉴意义。