李家峡水电站水轮机转轮叶片.doc

李家峡水电站水轮机转轮叶片裂纹成因浅析及采取措施的建议 乔吉庆（黄河水电公司李家峡发电分公司）摘要：李家峡水电站双排机布置水轮发电机组运行中出现裂纹。本文论述了转轮裂纹的特征及前期处理经过，并对转轮裂纹产生原因进行了分析，提出了进一步改进转轮裂纹处理的工艺、改善水轮发电机组主轴中心补气以及优化机组运行条件建议。关键词：转轮叶片 裂纹 分析 建议61 前言李家峡水电站位于青海省尖扎县和化隆县交界的黄河干流上，是黄河上游的第三座大型水电站，是以发电为主的大型综合水利枢纽工程。电站设计安装5400MW混流式水轮发电机组。工程分两期建设，一期装机1600 MW。机组分前后排方式布置，上游布置2号、4号水轮发电机组，下游布置1号、3号、5号水轮发电机组。电站在系统中担任调峰、调频任务，是西北电网的骨干电厂，也是西北电网已投产的最大的水电站。李家峡水电站水轮发电机组为三导半伞式结构，由东方电机股份有限公司设计制造，水轮机转轮软件技术由加拿大GE公司引进，机组的结构设计及制造全部由东方电机股份有限公司独立完成，其中转轮采用异种钢焊接结构，转轮为分瓣结构，由13个叶片组成。水轮机主要技术参数名称参数单位水轮机型号HLD203-LJ-603最大水头135.6m设计水头122m最小水头114.5m设计水头出力408.2MW额定流量369.8m3s额定转速125r/min飞逸转速246r/min吸出高度-7m叶片数13尾水管结构形式1号机组4H型、2号、4号机组GE型、3号、5号机组加深加长GE型转轮叶片材质ZGOCr13Ni6MO不锈钢下环材质ZGOCr13Ni4MO不锈钢上冠材质ZG2OSiMn低合金钢发电机型号SF40048/2800电站1号水轮发电机组于1997年2月投产，2号水轮发电机组于1997年12月投产，3号水轮发电机组于1998年5月投产，4号水轮发电机组于1999年12月投产发电。在水轮发电机组投产发电后，相继发现1号至4号水轮发电机组转轮叶片出现裂纹。1号至4号水轮发电机组转轮叶片裂纹统计表1号机转轮叶片裂纹统计叶片号检修时间12345678910111213备注1998.081999.042000.012000.062001.042002.112004.022004.112005.022005.112006.092007.022007.122号机转轮叶片裂纹统计叶片号检修时间12345678910111213备注1998.071998.121999.06至今未发现裂纹3号机转轮叶片裂纹统计叶片号检修时间12345678910111213备注1998.081999.011999.102000.052001.032002.012002.072003.092004.052004.122005.062005.112006.102007.044号机转轮叶片裂纹统计叶片号检修时间12345678910111213备注2000.032000.112001.082002.032003.082004至今未发现裂纹2、 转轮裂纹的特征及前期处理经过通过对李家峡水电站转轮裂纹统计分析，转轮裂纹有以下特点：（1）普遍性，在水轮发电机组投产发电初期，是转轮裂纹发生的高峰期，且裂纹的发生带有普遍性，除1号机转轮7叶片，2号机转轮12叶片，3号机转轮7叶片未发生裂纹外，其余叶片均发生裂纹（4号机转轮除1、2、7、8、9、10、13叶片发生裂纹外，其它叶片未发现裂纹）；（2）重复性，在对叶片进行修复处理后，个别叶片仍重复性发生裂纹，1号水轮发电机组的2、4、11、13叶片，3号水轮发电机组的8、11、13叶片，均重复发生裂纹，且为贯穿性，带分叉不规则的裂纹。李家峡水电站转轮裂纹发生后，由原电站工程建设单位组织召开了“裂纹发生原因及裂纹处理工艺措施研究会”，与会专家从材质、焊接工艺、模型和真机尾水管压力脉动及转轮动力响应等方面进行了分析和试验工作。认为李家峡水电站转轮叶片静应力较低，有较大的强度安全余量。转轮所使用的原材料经过化学成分分析，机械性能试验和无损探伤结果合格。裂纹产生的主要原因是（1）焊缝存在质量问题。（2）机组较长时间在低水头部分负荷下运行。李家峡水电厂按要求对转轮裂纹进行处理，但是未取得理想的效果。东方电机股份有限公司认为李家峡水电站转轮裂纹产生的主要原因是（1）在电站双排机联合运行时，某些组合导致后排机组原来已经偏大的压力脉动值进一步恶化，较高的压力脉动值会导致动应力进一步增大，但不是简单的几何叠加。（2）叶片焊缝质量差，是水轮发电机组转轮大范围发生裂纹的主要原因。（3）叶片补焊后再次出现裂纹，是由于现场条件限制，补焊的区域有可能成为新的应力集中区或微裂纹区。（4）运行工况差，机组运行在低水头、低负荷运行时间偏长。（5）叶片存在明显的疲劳破坏贝壳纹。并提出在叶片出水边与上冠交接处高应力区域开设应力缺口，以期改善该区域的应力分布和应力水平。并在3号水轮发电机组转轮5#、7#、11#、13#对称的四个叶片出水边开设了工艺缺口。运行8个月后发现开设工艺缺口的四个叶片有两个叶片（11、13）出现了裂纹，在征得东方电机股份有限公司的同意下，对开设工艺应力缺口的叶片进行了恢复。3、转轮裂纹原因浅析由于转轮裂纹成因十分复杂，不仅与转轮的设计、制造、材质、安装有很大的关系，还与机组的运行工况和发生裂纹后的处理工艺有着重要的关系。目前已排除了转轮原材料是产生转轮裂纹的因素。在动应力测试过程中，没有发现卡门涡、叶道涡等因素所引起的动应力。从李家峡水电站首台机组投产至今近十年对转轮裂纹统计可以看出，2号机组转轮从1999年至今未出现裂纹。4号机组转轮2004年后也未出现裂纹，而1号、3号机组转轮从投产至今，在检修中均发现裂纹，且为重复性裂纹。说明具有金属疲劳的特征，在叶片裂纹断口取样检查发现，存在明显的疲劳破坏贝壳纹。根据对李家峡水电站转轮裂纹特征及运行工况的分析认为，产生李家峡转轮裂纹的原因为：（1）受当时工艺条件的限制，生产叶片时手工打磨，制造过程中残余应力较大。（机组运行一年中是应力快速释放的过程，符合李家峡电站转轮裂纹发生的规律）（2）出水边部位是焊接收弧集中部位，收弧时易产生夹渣，弧坑裂纹等缺陷，对收弧部位清理不彻底，出水边端部存在细微裂纹，焊缝内部存在未溶合，夹渣等缺陷，这些缺陷将导致应力集中，铲磨焊缝时损伤母材。（3）水轮发电机组运行在禁止运行区和限制运行区时间过长，机组稳定性差，导致转轮叶片裂纹加剧。通过机组振动试验得出：1号水轮发电机组顶盖垂直振动在全部运行区内均超过规范要求(0.09mm),顶盖垂直振动在空载20MW,140MW,160MW四个工况点超过1.5 mm,最大值在空载时达到2.109 mm。 3号水轮发电机组顶盖垂直振动与水平振动在全部运行区均超过规范要求。4号水轮发电机组水轮机顶盖垂直振动与水平振动在全部运行区均超过规范要求。在200MW时最高达到1.3645 mm。对李家峡水电站双排机组真机试验研究中的测试的数据表明，李家峡四台机组顶盖的垂直振动与水平振动都严重超标，水压脉动幅值也较大。说明李家峡电站水轮发电机组存在明显的运行稳定性问题。对2001年至2006年1号至4号水轮发电机组运行区域进行了统计(由于统计采样取整点负荷,与实际值有所偏差)1号机组在禁止运行区域运行时间占运行小时数的24%，在限制运行区域运行时间占运行小时数的67%，在稳定运行区域运行仅占运行小时数的9%。2号机组在禁止运行区域运行时间占运行小时数的4%，在限制运行区域运行时间占运行小时数的51%，在稳定运行区域运行占运行小时数的45%。3号机组在禁止运行区域运行时间占17%，在限制运行区域运行时间占75%，在稳定运行区域运行占8%。4号机组在禁止运行区域运行占4%，在限制运行区域运行占60%，在稳定运行区域运行占36%。说明李家峡水电站1号、3号水轮发电机组在限制和禁止运行区域运行时间过长，是导致转轮裂纹产生的另一个重要原因。（4）大轴中心孔补气量不足是导致转轮裂纹产生的原因之一李家峡水电站水轮发电机组布置为双排机布置，2号、4号水轮发电机组布置在厂房上游侧，1号、3号水轮发电机组布置在厂房下游侧。大轴补气采用液压缓冲式密封真空补气阀，补气阀的原理是水轮机在运行中，当尾水管产生负压时，补气阀克服了弹簧弹力开启补气。尾水管内真空被破坏后，大气压力小于弹簧弹力与尾水管负压之和时，补气阀关闭。由于2号、4号水轮发电机组安装位置距尾水平台距离较远，在安装大轴补气管路时，为减少补气量的损失，将大轴补气管路安装在风洞外，而1号、3号水轮发电机组将大轴补气管路延伸至尾水平台处。从现场掌握的情况，李家峡水电站1号至4号水轮发电机组，在涡带区运行时，大轴补气量均为呼吸间歇式，不能形成连续补气，说明大轴补气量不足。补气量不足是导致转轮裂纹产生的原因之一。将1号机组大轴补气管路改为风洞外，以减少补气量损失，在2005年11月1号机组检修中，仅发现一条裂纹。（5）暂态过程动、静应力对转轮裂纹产生的影响。根据李家峡水电站转轮动、静应力测试结果，李家峡水电站1号水轮发电机组在启动过程中，动、静应力变化幅度相当大，静应力及动应力的变幅过程，均出现在启动过程中。启动过程中最大静应力变幅为77.1MPa，大于最大负荷工况下静应力（约39.1 MPa），启动过程中的最大动应力为45.4 MPa，大于负荷工况下的最大动应力（16.64 MPa）为稳定空载情况的6.14倍。频繁启动过程是造成转轮裂纹产生的原因之一。4、转轮叶片裂纹处理措施1）进一步改进并优化转轮裂纹处理的补焊工艺（1）着色探伤发现表面裂纹后应对存在裂纹的叶片进行超声探伤，确定裂纹的末端。（2）在裂纹末端钻止裂孔。（3）对裂纹部位进行预热后，用刨除或打磨的方法清理裂纹，并对清理表面进行着色探伤，确定裂纹是否清理干净。（4）焊接前对焊接部位及周围局部预热至90100oC。（5）焊接时，进行正反面交替焊，焊接过程对每层焊道进行锤击，以清除焊接应力，层间温度控制不超过200oC，焊接表面高出原表面两道焊层。（6）焊完后温度控制在230oC，保温2h后，用防热材料覆盖自然冷却。（7）做超声波探伤式着色探伤，确保没有裂纹。2）改善水轮发电机组主轴中心补气大型水轮发电机组主轴中心补气是减轻机组震动的经济有效措施。实验研究表明，在振动区只要有水轮机额定出力流量的1.52.5%的补气量，且能够补到涡带空腔区，就可以有效抑制水轮机尾水管涡带造成的水压脉动。但是如果补气量不足，不仅不能降低水轮机尾水管涡带水压脉动，有时还会使振动加剧。3）优化机组运行条件 根据1号至4号水轮发电机组单机的运行工况来看，1号水轮发电机组在限制运行区和禁止运行区域运行小时数占到了总运行小时数的91%，3号水轮发电机组在限制运行区域和禁止运行区域运行小时数占到了总运行小时数的92%。 如何合理的在满足系统要求的前提下，优化机组的运行条件，是预防转轮裂纹发生积极