水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋的原因及預(yù)防措施

林洪德，張利民

(東方電氣集團東方電機有限公司 四川德陽 618000)

0 引言

轉(zhuǎn)輪是水輪機的核心部件。往年水輪機轉(zhuǎn)輪葉片不斷發(fā)生裂紋事件，引起了大家的高度重視。探尋水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋的成因，從葉片設(shè)計和制造方面采取了多項優(yōu)化和改進措施以解決葉片裂紋問題，是一項十分緊迫的課題。

1 轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生原因

1.1 混流式水輪機轉(zhuǎn)輪

對于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的原因有以下幾方面。

1.1.1 水力方面

在水輪機轉(zhuǎn)輪葉片上出現(xiàn)的規(guī)律性裂紋絕大多數(shù)都屬于疲勞裂紋，斷口呈現(xiàn)明顯的貝殼紋。從力學(xué)及材料力學(xué)上來說，疲勞裂紋的出現(xiàn)就是葉片所承受的動應(yīng)力超過了葉片材料疲勞強度極限的結(jié)果。也就是說葉片承受動載荷的能力不足時，將可能出現(xiàn)葉片裂紋。葉片疲勞來源于作用其上的交變載荷、而交變載荷又由轉(zhuǎn)輪的水力自激振動引發(fā)，這可能是卡門渦列、水力彈性振動或水壓力脈動所誘發(fā)。

某水電站225 MW機組就是卡門渦引起葉片共振導(dǎo)致裂紋的典型實例。1號機完成安裝調(diào)試，72 h試運行后，13個轉(zhuǎn)輪葉片全部產(chǎn)生裂紋。裂紋不僅出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠、下環(huán)交接處的根部，還有很多出現(xiàn)在葉片出水邊的偏中間的位置。排除本身材質(zhì)缺陷以及制造質(zhì)量不良影響，能在如此短的時間內(nèi)嚴(yán)重出現(xiàn)裂紋，原因只有葉片卡門渦引起的共振。然后經(jīng)多次試驗和實踐，對葉片出水邊進行修型，問題得以解決，為混流式大型機組防止轉(zhuǎn)輪葉片裂紋提供了寶貴經(jīng)驗。

水力彈性振動應(yīng)設(shè)置高壓油頂起裝置減少軸承摩擦阻力來解決葉片裂紋問題。機組起動過程中，如果水輪機葉片頭部過度肥大，在導(dǎo)葉小開度時的不穩(wěn)定水流沖擊下激起水力彈性振動，其主頻恰與主軸一階扭振重合，可引起幅動應(yīng)力。出現(xiàn)這種情況，應(yīng)采取向?qū)~后補氣，加快起動速度，加大起動開度，加強葉片根部以增加其抵抗外力的能力等措施加以預(yù)防。補氣除了衰減壓力脈動外，還能消除水流動態(tài)變異、脫流引起的真空、空腔、空化和空蝕破壞。日本在尾水管錐管進口安裝幾個紊流板并通過其表面上的氣孔進行補氣，補氣量約為水流量的0.1% ～0.2%，不僅防止裂紋發(fā)生，還使空蝕強度減少到1/5～1/7。

尾水管壓力脈動能以某種形態(tài)傳遞到轉(zhuǎn)輪葉片上，轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)還可能作用著水流脫流造成的脈動壓力，并直接作用在葉片上。顯然，這些脈動壓力將引起葉片的交變應(yīng)力。若這種激振頻率與葉片或下環(huán)的固有頻率耦合時，必將誘發(fā)更大的動應(yīng)力，造成葉片開裂。

而小開度下的尾水管壓力脈動頻率對下環(huán)卻可能帶來影響，某水電站400 MW混流式水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)輪葉片出水邊與下環(huán)間的交根焊縫開裂后，裂紋向下環(huán)區(qū)發(fā)展也許與此有關(guān)。但是，只要葉片不開裂，低應(yīng)力的下環(huán)將會是安全的。

1.1.2 設(shè)計方面

設(shè)計時，就要考慮到可能影響葉片承受動載荷能力的因素。首先，要保證葉片材料的化學(xué)成分、機械性能以及承受工作應(yīng)力的能力符合要求。在1960～1970年，我國轉(zhuǎn)輪材料多為低合金鑄鋼(如鑄鋼ZG20SiMn)。長時間運行后不僅裂紋普遍存在，有的電站還出現(xiàn)過葉片斷裂的情況。目前轉(zhuǎn)輪材料多為06Cr13Ni4～6Mo的低碳馬氏體不銹鋼，采用VOD或AOD鑄造工藝，由于材質(zhì)不良引發(fā)的葉片裂紋及斷裂已經(jīng)很少見了。材料的實際疲勞強度由于受到運行過程中諸多因素的影響，設(shè)計時無法準(zhǔn)確確定。因此，目前一般通過材料的最大工作應(yīng)力與材料的屈服強度或極限抗拉強度的相對關(guān)系來評判。采用有限元計算分析得出，轉(zhuǎn)輪在水壓力及離心力的作用下，大應(yīng)力區(qū)主要分布在轉(zhuǎn)輪葉片周邊上，按第三強度理論計算的相當(dāng)應(yīng)力沿葉片周邊分布。轉(zhuǎn)輪葉片存在4個高應(yīng)力區(qū)，他們的位置在葉片進水邊正面(壓力分布面)靠近上冠處、葉片出水邊正面的中部、葉片出水邊背面靠近上冠處及葉片與下環(huán)連接區(qū)內(nèi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計上，各部件的倒角應(yīng)適當(dāng)修圓，臨近表面的連接應(yīng)光滑連續(xù)，避免應(yīng)力集中。

混流式轉(zhuǎn)輪葉片型面為復(fù)雜的空間扭轉(zhuǎn)曲面，其斷面為流線翼型，流線要求很高，而且為更好地符合水流規(guī)律，葉片出水邊往往較薄。傳統(tǒng)的葉片型面加工采用砂輪人工仔細修磨、立體樣板人工測量的方法，為保證型面要求而反復(fù)修磨，造成葉片厚度無法滿足設(shè)計要求，剛度被嚴(yán)重削弱。所以葉片強度不夠也可能是裂紋重復(fù)產(chǎn)生的原因之一。

對某水電站700 MW混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進行修型(采用大的過渡圓角和小的出水邊末端厚度，可提高卡門渦頻率，使其避開葉片在水中的固有頻率，減少激發(fā)共振的可能性)。將葉片與轉(zhuǎn)輪上冠出水邊增設(shè)三角區(qū)，增大圓弧角度，降低最高壓力區(qū)應(yīng)力水平。采取有效措施，降低轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)連接處焊縫的殘余應(yīng)力(轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)組焊后，焊接處的殘余應(yīng)力相當(dāng)大，甚至可以達到或超過母材的屈服強度。因此，一方面要改善焊接工藝措施，另一方面要進行退火熱處理，有效消除殘余應(yīng)力，把殘余應(yīng)力的最大值控制在母材屈服強度的1/2～1/3范圍)。

某水電站300 MW混流式水輪發(fā)電機組投運的第一臺機組(6號機)在運行了1 330 h后，13個葉片都出現(xiàn)了裂紋，且大部分為貫穿性裂紋，自焊縫起裂處向母材發(fā)展，呈不規(guī)則的拋物線狀。裂紋斷口呈明顯的疲勞特征。隨后，5號機在空載調(diào)試期間，發(fā)現(xiàn)6條裂紋。4號和3號機在調(diào)試中和72 h試運行后檢查，均有不同程度的裂紋發(fā)生。

根據(jù)以上裂紋情況，首先對裂紋處取樣和轉(zhuǎn)輪葉片熱模壓后取樣進行分析，分析材料的機械性能、化學(xué)成分、金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn);經(jīng)過對葉片裂紋斷口的失效分析，確定微觀組織、夾雜物以及晶粒度評級無異常，焊接工藝和焊接質(zhì)量也沒有問題。這說明，并不是材質(zhì)、鑄造和焊接加工問題導(dǎo)致的葉片裂紋。檢查原設(shè)計發(fā)現(xiàn)，出水邊近上冠處葉片呈尖棱狀，出水邊端面與上冠的過渡圓弧也比較小，很容易引起應(yīng)力集中。并且，水輪機最高水頭141 m，最大出力330 MW時，葉片出水邊正面近上冠處最大應(yīng)力為270 MPa;在最低水頭70 m，出力50 MW時，葉片出水邊背面近上冠處應(yīng)力為201.65 MPa。比較其他機組，靜態(tài)應(yīng)力取值明顯偏高。從這兩點可以看出，葉片本身承受動載荷的能力有所欠缺。在運行這么短的時間內(nèi)，大量葉片多處出現(xiàn)裂紋，說明激發(fā)裂紋產(chǎn)生的能量足夠大，顯然不是交變應(yīng)力長期作用的結(jié)果。通過測試發(fā)現(xiàn)，在一定的運行條件下，葉片出水邊出現(xiàn)卡門渦，且頻率與葉片固有頻率產(chǎn)生了共振，正是共振產(chǎn)生的能量引發(fā)了葉片上的高頻、高幅動應(yīng)力、導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。

這說明，葉片的設(shè)計存在不合理之處，導(dǎo)致葉片本身承受動載荷能力下降，再加之，葉片出水邊的不合理設(shè)計導(dǎo)致卡門渦與葉片發(fā)生共振，巨大的能量導(dǎo)致裂紋迅速產(chǎn)生并發(fā)展，對機組造成了不良影響。后將葉片出水邊修薄到7 mm后，機組性能得到改善。

某水電站75 MW機組水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋為泄水錐結(jié)構(gòu)不合理，是非規(guī)律性上冠裂紋的主要原因。

1.1.3 鑄造缺陷

鑄造缺陷主要表現(xiàn)為組織疏松、偏析、夾渣、氣孔、微裂紋或宏觀裂紋等情況，其導(dǎo)致的裂紋一般為非規(guī)律性的裂紋，有的呈網(wǎng)狀龜裂紋，有的呈脆性斷口。其中，影響葉片疲勞強度、較低葉片承受動載荷能力的主要缺陷，將導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中，使裂紋產(chǎn)生、擴展。某水電站245 MW機組改造投運6個月后，檢查發(fā)現(xiàn)葉片裂紋便達22條。1年之后，又發(fā)現(xiàn)穿透性裂紋13條，探傷發(fā)現(xiàn)的微裂紋多達30條，而這期間機組累計運行才724 h。裂紋主要集中在葉片中間部位，呈封閉型裂紋，通過金相分析，發(fā)現(xiàn)母材存在較多鑄造缺陷，大面積的點狀缺陷正位于葉片中間部位，與裂紋位置完全一致。某水電站400 MW機組水輪機轉(zhuǎn)輪與某水電站300 MW機組水輪機轉(zhuǎn)輪的裂紋有共性，也有各自的特點。轉(zhuǎn)輪裂紋在制造方面的原因主要是轉(zhuǎn)輪鑄造的疏松和廠內(nèi)施焊時缺乏質(zhì)量意識，焊接部位出廠時本身就具有隱蔽缺陷，包括焊后的熱處理也沒有很好地消除焊縫處存在的內(nèi)應(yīng)力。可見，鑄造缺陷在裂紋發(fā)生和發(fā)展過程中起到了至關(guān)重要的作用。而對于不削弱鑄鋼件強度或不影響鑄鋼件的次要缺陷是可以進行處理的，以保證材料的使用強度要求。

1.1.4 制造工藝

轉(zhuǎn)輪的制造缺陷也是引發(fā)非規(guī)律性裂紋的重要原因。

葉片型線、流道尺寸加工不準(zhǔn)確，葉片與上冠、下環(huán)之間的過渡圓角不合理等這些結(jié)構(gòu)上的主要問題，目前采用的數(shù)控加工基本不會出現(xiàn)。在加工過程中，能夠引起葉片承受動載荷能力下降的主要因素就是焊接工藝和焊接質(zhì)量。焊接缺陷主要是指焊接金屬部分的實際強度或承受動載荷的能力不足，其引起的裂紋主要出現(xiàn)在焊接金屬區(qū)，一般不向葉片本體上發(fā)展。焊接質(zhì)量不良主要表現(xiàn)在殘余應(yīng)力比較大，夾渣、氣孔、微裂紋、過熔或欠熔等方面，其結(jié)果也是使焊接金屬及其熱影響區(qū)承受動載荷的能力降低。

不少水電站轉(zhuǎn)輪裂紋有從嚴(yán)重焊縫缺陷或焊接延遲裂紋處開裂的例子。葉片表面粗糙，出水邊高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)不應(yīng)有的尖棱，存在嚴(yán)重的鏟磨縮頭等，都可能促使轉(zhuǎn)輪裂紋生成。因此，我們在處理已發(fā)現(xiàn)的裂紋和空蝕嚴(yán)重部位時要嚴(yán)格按照檢修工藝，避免應(yīng)補焊或打磨不合格而再次產(chǎn)生裂紋。

某水電站3號機組在1994年6月投產(chǎn)，在1995年年初便發(fā)現(xiàn)了裂紋并進行了補焊，到2002年度檢修結(jié)束止，每年都要進行葉片裂紋的補焊，4臺機共52個葉片，除2號機的4號葉片外，51個葉片均出現(xiàn)過裂紋，裂紋起初都出現(xiàn)在葉片出水邊近上冠和下環(huán)的焊接處，經(jīng)過補焊增大上冠、下環(huán)焊縫處的圓角后，裂紋有逐步向葉片中部發(fā)展的趨勢。在葉片的修復(fù)焊接時，由于裂紋太多，補焊已不能保證質(zhì)量，直接將其整塊割除，然后使用同材質(zhì)的厚不銹鋼板照樣板裁割補焊，焊接時盡量做到平滑過渡。這樣焊接以后，經(jīng)過實際使用，未見裂紋或脫落。經(jīng)過大量實測，發(fā)現(xiàn)某機組在運行中有兩個明顯的振動區(qū)。在高負荷區(qū)，導(dǎo)葉后壓力脈動與廠房局部結(jié)構(gòu)發(fā)生強烈共振;在部分負荷區(qū)，尾水管低頻壓力脈動過高，引起葉片振動。

針對某機組出現(xiàn)的裂紋，通過材料的金相分析，發(fā)現(xiàn)除葉片材質(zhì)存在氣孔、砂眼等缺陷外，制造過程中問題也較多，葉片分上、下兩段鑄造后在廠內(nèi)拼焊，葉片與上冠、下環(huán)焊接缺陷較多，上冠材質(zhì)與葉片為異種鋼焊接，焊接后殘余應(yīng)力較大。葉片翼型采用正、背面組合樣板手工打磨，葉片形狀及厚度都未達到設(shè)計要求，出水邊厚度普遍偏薄。這都將導(dǎo)致葉片承受動載荷的能力大大降低，容易產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過振動區(qū)的運行，較大的尾水管壓力脈動產(chǎn)生的交變應(yīng)力作用于葉片上，最終導(dǎo)致了裂紋的產(chǎn)生。這是一個綜合作用的過程。在經(jīng)過不銹鋼板整塊補焊后未發(fā)現(xiàn)裂紋，這也說明了葉片本身承受動載荷的能力得到增強。采取其他措施降低機組的振動，也使葉片承受的動應(yīng)力減弱。同時增強葉片自身承受動載荷能力和減弱外部激勵，葉片裂紋才能得到有效改善。

某水電站轉(zhuǎn)輪焊后不退火，焊后殘余應(yīng)力過高，導(dǎo)致裂紋。這些都是工藝方面典型的經(jīng)驗教訓(xùn)。

1.1.5 運行工況

運行工況對葉片裂紋產(chǎn)生的影響主要反映在不同負荷作用下，葉片承受的動載荷不同。比如水輪機運行在小負荷區(qū)及強渦帶工況區(qū)時，葉片承受的動應(yīng)力較大。水輪機在不合理的工況下運行可能誘發(fā)引起機組不穩(wěn)定運行的其他問題的疊加，例如導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪部件的自激振動、共振等，加速裂紋的發(fā)展?；炝魇剿啓C轉(zhuǎn)輪葉片安放角不能調(diào)節(jié)，當(dāng)水頭或負荷偏離最優(yōu)工況較多時，必然會因水力不穩(wěn)定而使葉片承受較大動載荷，導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。裂紋的產(chǎn)生與運行工況有較密切的聯(lián)系，水輪機運行時應(yīng)避開水力不穩(wěn)定區(qū)、葉片動載荷大的區(qū)域，最好能在最優(yōu)工況或附近運行。

某水電站320 MW混流式水輪發(fā)電機組水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋具有它自身的特點，它是在運行了20年之后才出現(xiàn)裂紋的。4臺機組分別于1987～1989年投入運行，水庫于2005年蓄水增加，水位達到了歷史最高水位。2005年年底檢查發(fā)現(xiàn)，3號機葉片出現(xiàn)了一條裂紋，長度為110 mm。2006年2月檢查發(fā)現(xiàn)，1號機葉片也出現(xiàn)了5條裂紋，總長度達490 mm。裂紋主要出現(xiàn)在葉片出水邊與上冠和下環(huán)相交的部位，多數(shù)都在熱影響區(qū)。多數(shù)裂紋在高水頭運行的后期出現(xiàn)，但最高水頭也只有145.75 m(毛水頭)，并未達到它的最高運行水頭148 m。轉(zhuǎn)輪并不是全部葉片均產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生裂紋的葉片只占少數(shù)，裂紋情況相對于其他電站而言，還是比較輕微的。隨后水庫在低水位運行時，轉(zhuǎn)輪葉片仍然出現(xiàn)裂紋，在2007年7月對1號機的檢修中發(fā)現(xiàn)，葉片出水邊靠近上冠處又出現(xiàn)了5條貫穿性裂紋，其中3個葉片是高水頭運行后補焊過的，且裂紋出現(xiàn)在葉片的同樣部位。此時水輪機的運行毛水頭均在136 m以下，大部分在130 m水頭以下。

值得注意的是，葉片出現(xiàn)裂紋時機組已經(jīng)運行了將近20年，并且在近20年的運行時間內(nèi)轉(zhuǎn)輪葉片也沒有出現(xiàn)過裂紋。說明裂紋并不是由葉片的材質(zhì)或者焊接質(zhì)量引起的，葉片本身承受動載荷的能力還是比較強的。經(jīng)過現(xiàn)場試驗也排除了共振的因素，確定是長期作用在葉片上的交變應(yīng)力引起的疲勞裂紋。雖然裂紋是在約半年的高水頭運行之后陸續(xù)出現(xiàn)的，但是在隨后的低水頭運行時，焊接過的葉片及新的葉片仍然出現(xiàn)裂紋，這說明高水頭運行也不是直接導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。隨著多年來的運行，葉片剩余疲勞強度已經(jīng)逐漸在減小，在經(jīng)過一段時間的高水頭運行，葉片的剩余疲勞強度已經(jīng)達到或接近葉片出現(xiàn)裂紋的臨界點?？梢哉f，高水頭運行促使了葉片裂紋的發(fā)生和發(fā)展，但不是葉片裂紋產(chǎn)生的基本原因。目前有一批運行接近20年或20年以上的電站，葉片陸續(xù)出現(xiàn)了裂紋現(xiàn)象，有可能是屬于這類情況。

某水電站300 MW機組在高水頭運行時，轉(zhuǎn)輪前、導(dǎo)葉后水體產(chǎn)生的劇烈振動和尾水管內(nèi)補氣不足及渦帶而產(chǎn)生的尾水壓力脈動過大，因而引起機組振動，使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生交變應(yīng)力所致。要想使轉(zhuǎn)輪長期無故障運行，需要采取以下措施:

1)避開高水頭運行;

2)避開機組振動區(qū)運行;

3)增大尾水補氣強度或在尾水里襯加裝紊流片。

另外，在電站機組運行過程中，起動、停機、加載、卸載都應(yīng)緩慢運行，急開、急停都可能導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。如果不能滿載運行，也不要在較低的部分負荷下運行，負荷低于50%以下應(yīng)引起注意。巴西依太普機組單機容量715/740 MW，當(dāng)負荷低于400 MW以下就不運行了。

1.1.6 共振

共振是機組不穩(wěn)定性的一種比較強烈的外部表現(xiàn)形式，共振所產(chǎn)生的能量能夠快速導(dǎo)致部件的損壞。轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生共振時，所承受的動應(yīng)力將可能放大10倍，裂紋將很快產(chǎn)生并迅速擴展。從已經(jīng)運行的電站情況來看，葉片共振基本上是由卡門渦引起的，卡門渦與葉片的固有頻率共振將引發(fā)高頻、高幅的動應(yīng)力。

1.1.7 多種因素綜合作用

轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因是多種因素的疊加，其基本原因是葉片承受動載荷的能力不足，根據(jù)裂紋的情況和特點進行具體分析，找出導(dǎo)致裂紋發(fā)生和發(fā)展的直接原因，才能有效地采取相應(yīng)措施，避免機組的不穩(wěn)定運行。

某水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋通常產(chǎn)生于葉片出水邊應(yīng)力集中區(qū)域，尤其集中出現(xiàn)在葉片出水邊根部與上冠、下環(huán)的連接焊縫和焊縫熱影響區(qū)內(nèi)，而且基本上是貫穿性裂紋。這是由于大型水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的出水邊過長，厚度較薄而剛度不足。在水流沖擊下，葉片出水邊發(fā)生振動，在葉片出水邊的中部，葉片可以通過彈性變形釋放應(yīng)力;但葉片靠近上冠的位置，由于上冠的約束不能發(fā)生較大的變形釋放應(yīng)力，故在交變應(yīng)力作用下，發(fā)生局部塑性變形，長期塑性破壞累計的結(jié)果，萌生疲勞裂紋源，即產(chǎn)生裂紋。

某些混流式轉(zhuǎn)輪并不是由同一種材料制成，水輪機轉(zhuǎn)輪的制造方式采用的是異種鋼拼焊對稱分辨轉(zhuǎn)輪，由于焊接是高溫溶化母材將構(gòu)件連接成整體，母材局部的熔化和冷卻造成拼焊熔合區(qū)、熱影響區(qū)等各部位的材料組織與母體的材料組織存在顯著的差異，各種拼焊缺陷不可避免地存在于焊縫及相鄰區(qū)域中。某水電站7×100 MW混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片選用了低合金高強度材料ZG15MnMoVCu，上冠為ZG20MnSi鑄鋼。當(dāng)前4臺機組安裝運行后，發(fā)生了第3號機轉(zhuǎn)輪葉片的斷掉事故，其中一瓣轉(zhuǎn)輪從分瓣面開始相鄰3個葉片全部從與上冠、下環(huán)相接處斷掉，落入尾水管中(其中有一個葉片被水沖走未找著)。另一瓣有2個不相鄰的葉片也產(chǎn)生了嚴(yán)重裂紋。后邀全國設(shè)計、工藝、鑄造、材料、熱處理、電站運行等各方面專家共同分析，認為該葉片屬首次使用，對其力學(xué)性能、焊接性能的了解尚需進一步深入，決定不再用作轉(zhuǎn)輪葉片材料。該損壞的轉(zhuǎn)輪重新?lián)Q上5個20MnSi鑄造葉片而成功修復(fù)。某轉(zhuǎn)輪與此轉(zhuǎn)輪材質(zhì)相同，另一電站有一臺整體轉(zhuǎn)輪葉片材質(zhì)更是 20MnSi、0Cr13Ni6Mo、15MnMoVCu 等的組合，它們?nèi)园踩\行了相當(dāng)長的時間。

由于機組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不均勻或機組的安裝中心線有偏差，即機組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量中心與機組中心存在偏差。這樣，在機組運行時，就會產(chǎn)生水平離心力，使得機組軸系統(tǒng)發(fā)生弓狀回旋而引起機組和廠房結(jié)構(gòu)的振動;水輪發(fā)電機組在運行過程中，由于磁拉力不平衡和三相不平衡、推力軸瓦制造不良、發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子氣隙不對稱以及定子鐵心機座合縫不嚴(yán)等原因，引起機組的振動;由于過流部件中流場的速度分布不均勻所產(chǎn)生的水壓力脈動和水流流過某些繞流物體(如導(dǎo)葉和葉片)后，由于脫流漩渦引發(fā)的水壓力脈動，造成水輪發(fā)電機組的振動;由于水輪機內(nèi)部的水流壓力降低到水的飽和蒸汽壓力時，水體發(fā)生汽化，出現(xiàn)大量氣泡。在氣泡的不斷產(chǎn)生和凝結(jié)過程中，高速水流質(zhì)點像銳利的尖刀一樣周期性地打擊葉片表面，使葉片產(chǎn)生麻點，甚至被擊穿而形成空洞，同時產(chǎn)生強烈振動;這些因素導(dǎo)致水輪發(fā)電機組的振動，也是引起水輪機葉片裂紋和裂紋擴大的因素之一。

從某些電站轉(zhuǎn)輪開裂的裂紋看，存在錯牙，說明轉(zhuǎn)輪內(nèi)部都存在較大的內(nèi)應(yīng)力，但兩個轉(zhuǎn)輪的制造廠家在轉(zhuǎn)輪整體焊接完成后都經(jīng)過了整體熱處理，顯然熱處理并沒有較好地消除內(nèi)應(yīng)力。

1.2 軸流式水輪機

軸流式水輪機定槳葉片與轉(zhuǎn)槳葉片運行工況比較，定槳葉片在非最優(yōu)工況下運行的情況多，這樣會導(dǎo)致葉片周圍水流分布不均，引起渦流帶壓力脈動對葉片的頻繁作用。當(dāng)水壓脈動頻率和機組轉(zhuǎn)頻接近或相同時則出現(xiàn)共振，會加速葉片裂紋的產(chǎn)生。動水壓力過大時相對降低了葉片的剛度，也會產(chǎn)生縱向裂紋。由于軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片為懸臂受力，葉片變截面根部若無過渡圓弧或過渡圓弧小易產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。

某水電站50 MW軸流定槳式水輪機，大修時，發(fā)現(xiàn)3號機的5個葉片根部(正、背面)和正面出水邊處都有不同程度的裂紋。產(chǎn)生裂紋的主要原因是:葉片所受基本應(yīng)力較高，葉片根部有應(yīng)力集中和材料疲勞。裂紋的處理是采用堆焊加大葉片根部法蘭連接處的過渡圓角，在裂紋尾端鉆止裂孔，并對不同的裂紋采用不同形狀的坡口，按規(guī)定的工藝順序預(yù)熱補焊和保溫。

由于機組長期低負荷、超負荷或在工況不好的振動區(qū)運行，會使葉片在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂縫或加劇裂紋的發(fā)展。

1.3 沖擊式水輪機

沖擊式水輪機水斗根部裂紋的產(chǎn)生多屬于高頻周期疲勞破壞，由于現(xiàn)代鑄造技術(shù)尚不能避免微小缺陷的產(chǎn)生，現(xiàn)代探傷技術(shù)又不能保證查出長度小于2.5 mm的微裂紋及其他微小的鑄造缺陷，故對轉(zhuǎn)輪材料必須在考慮上述條件下確定出其許用應(yīng)力。

水斗根部在各工況運轉(zhuǎn)時受到一種非對稱的交變脈動應(yīng)力作用，所以在轉(zhuǎn)輪設(shè)計時應(yīng)考慮材料的疲勞強度，從而確定出其許用應(yīng)力。材料的疲勞強度是指經(jīng)過2×(106～107)交變應(yīng)力循環(huán)后不致破壞的最大應(yīng)力，而瑞垟電站2×6 MW沖擊式水輪機在試運轉(zhuǎn)2 000 h左右，交變應(yīng)力循環(huán)大約2×107，水斗焊縫薄弱區(qū)就產(chǎn)生了裂紋。

某水輪機廠的鑄焊轉(zhuǎn)輪過去未曾發(fā)生過水斗根部焊縫較為嚴(yán)重的裂縫，現(xiàn)在由于轉(zhuǎn)輪直徑尺寸較大，在室溫下進行原輪輻與水斗的連續(xù)焊接工藝已不適宜，是造成裂紋的主要原因。鑄鋼ZG30材料的焊接性能一般。在焊接熱循環(huán)的作用下，有較多的淬硬組織，易產(chǎn)生冷裂紋和熱裂紋，以冷裂紋為主。

一方面，在室溫中焊接，焊縫金屬和熱影響區(qū)母材金屬的冷卻速度過快，會引起局部的塑性變形而產(chǎn)生很高的殘余應(yīng)力，以裂紋擴展的形式釋放出來。

另一方面，過快的冷卻速度會使馬氏體量增加，進而加劇裂紋擴展，且阻止了氫從焊接區(qū)域中擴散出來而殘留在奧氏體內(nèi)，產(chǎn)生氫，致裂紋。采用的焊條又非低氫焊條。其次是輪輻與斗葉為厚構(gòu)件，剛性較大，焊縫金屬和熱影響區(qū)冷態(tài)金屬將阻礙焊縫長度方向的縮短和側(cè)向的收縮而出現(xiàn)高應(yīng)力集中。

轉(zhuǎn)輪雖然經(jīng)過了嚴(yán)格的退火處理，卻不能完全消除在焊接過程中出現(xiàn)的裂紋和焊接應(yīng)力，故在短時間內(nèi)由于高頻周期疲勞破壞而使裂紋逐漸地展開擴大。

針對焊接、退火、靜平衡三個環(huán)節(jié)，必須采用先進的生產(chǎn)工藝。

首先清除裂縫，用鉆孔的方法將裂縫徹底地清掃。同時鉆去裂紋兩側(cè)的金屬，使其形成U形坡口，再用風(fēng)動砂輪將U形坡口兩側(cè)打磨光滑。然后將轉(zhuǎn)輪安放在特制的加熱保溫裝置中，在轉(zhuǎn)輪兩側(cè)裝設(shè)陶瓷電加熱器。為避免內(nèi)孔焊接時不被氧化，向該裝置通入氬氣進行保護，保護歷時貫穿焊接的整個過程。

1.4 貫流式水輪機

在追求高效率條件下，轉(zhuǎn)輪模型葉片越來越薄，為保證原、模型性能相似，原型葉片只能按幾何比尺放大。隨著貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑的增大(6 m以上)，按幾何比尺放大后的轉(zhuǎn)輪葉片相對結(jié)構(gòu)剛強度降低，結(jié)構(gòu)動力特性改變(整體和局部自振頻率下降)，而水輪機結(jié)構(gòu)動力特性、流場動力特性方面研究滯后;在制造方面存在材料和加工缺陷;電站運行管理落后，非斜聯(lián)運行和頻繁變負荷(調(diào)峰)，造成機組長期在振動區(qū)運行。水輪機葉片裂紋問題已經(jīng)出現(xiàn)在大中型貫流式水輪機上，成為安全運行值得重視因素。

2 裂紋處理與預(yù)防措施

在運行或檢修中如果發(fā)現(xiàn)問題，可以采取下列的改善方案:

1)改善尾水管壓力脈動的補氣措施。

2)預(yù)防起動過程中水力彈性振動的補氣措施。

3)調(diào)整(多數(shù)情況下只需微調(diào))部件固有頻率和水力激振頻率;如卡門渦列可以采取修整葉片出水邊厚度和形狀、提高卡門渦列頻率來避開共振。

4)提高靜止部件(頂蓋、軸承等)的剛度。

針對以上水輪機轉(zhuǎn)輪裂紋狀況及形成原因的分析，提出以下幾點建議，供水輪機設(shè)計、制造、使用單位參考:

1)設(shè)計時要在考慮水輪機效率的同時盡量減少壓力脈動現(xiàn)象，在滿足靜強度要求的同時應(yīng)避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象，另外不能忽略水輪機剛度的保證。設(shè)計時應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中，適當(dāng)?shù)卦黾尤~片的厚度和葉片與上冠、下環(huán)焊縫圓弧過渡半徑，并且采取適當(dāng)?shù)谋荛_共振區(qū)的措施。

2)制造過程中，如何減少殘余應(yīng)力應(yīng)該是重點考慮的對象。在正常的焊接和用砂輪打磨時都會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。用焊后熱處理及砂輪打磨可除去部分應(yīng)力。或是采用應(yīng)力補償?shù)姆椒◤氐紫琢巡课坏臍堄嗬瓚?yīng)力，從而成倍提高疲勞壽命。

3)運行時應(yīng)避免急停急開過程中產(chǎn)生的較大應(yīng)力引起裂紋產(chǎn)生，機組的起動、停止、加負荷和卸負荷都應(yīng)逐步、緩慢進行，防止較大振動和較大交變應(yīng)力的產(chǎn)生。機組應(yīng)在接近設(shè)計最優(yōu)工況下運行，避開機組振動區(qū)，避免低水頭、低負荷情況下運行，偏離最優(yōu)工況下運行會增加葉片的動應(yīng)力和機組的振動。

4)改善水輪發(fā)電機組主軸中心補氣。大型水輪發(fā)電機組主軸中心補氣是減輕機組振動的有效措施。實驗研究表明，在振動區(qū)只要有水輪機額定出力流量1.5%～2.5%的補氣量，且能夠補到渦帶空腔區(qū)，就可以有效抑制水輪機尾水管渦帶造成的水壓脈動。如果補氣量不足，不僅不能降低水輪機尾水管渦帶水壓脈動，而且還會使振動加劇。

5)在滿足系統(tǒng)要求的前提下，優(yōu)化機組的運行條件，減少在低負荷工況條件下的運行，減少機組的振動，是預(yù)防轉(zhuǎn)輪裂紋發(fā)生的有效方法。

2.1 裂紋無損探傷檢查

在大修時對轉(zhuǎn)輪進行無損探傷檢查，及時處理缺陷，消除事故隱患是十分必要的。嚴(yán)重的裂紋等缺陷用肉眼和放大鏡外觀檢查即可發(fā)現(xiàn)，但較細小的缺陷和內(nèi)部的缺陷用無損探傷檢查。常用的無損檢測方法有以下幾種:磁粉探傷、滲透探傷、超聲波探傷、金屬磁記憶、射線檢測等。裂紋集中的部位，由于透照布置比較困難，不能用射線透照法進行無損探傷。根據(jù)水輪機葉片表面比較粗糙、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和厚度變化大的特點，一般應(yīng)采用滲透、磁粉、超聲波和金屬磁記憶的方法進行無損檢測。

2.2 裂紋的處理與修復(fù)

裂紋的處理和施焊的方法，通常采用小電流、窄焊道“鑲邊、分段、退步”焊接方式。為了消除焊接應(yīng)力，除第一道焊波和退火層外，其余焊波均應(yīng)進行錘擊。每焊完一道焊波馬上進行錘擊，以松弛焊接收縮應(yīng)力。為了提高工效，有時焊完一層后，統(tǒng)一錘擊。坡口焊滿后，再焊一層退火層。假若坡口位于空蝕區(qū)，最后第二層采用抗空蝕焊條堆焊，表面再焊一層退火層。焊縫保暖、緩冷后，用砂輪機打磨光滑并符合裂紋所在部位的型線，再進行觀察及探傷檢查，確實無裂紋和灰渣為止。

2.3 阻止裂紋延伸

通常裂紋的兩端尾部內(nèi)應(yīng)力接近材料的極限強度，在外力或熱應(yīng)力的影響下還會繼續(xù)延伸。因此，必須在裂紋兩端打止裂孔，孔徑應(yīng)不小于6 mm，裂紋清理過程中如發(fā)現(xiàn)紋路有新的發(fā)展趨勢應(yīng)停止清理，再追加止裂孔，一般孔深應(yīng)比裂紋深度大4～6 mm。

2.4 裂紋清理及開坡口

裂紋鏟除常用兩種方法:風(fēng)鏟和碳弧氣刨。

裂紋的鏟除采用速度快、操作簡便的碳弧氣刨刨除裂紋的方法，防止因刨除裂紋時因溫度影響原裂紋的延伸，應(yīng)由止裂孔處向裂紋反方向清除裂紋，直到去除裂紋為止。為了防止過熱引起變形和裂紋擴展，碳弧氣刨必須間斷使用。同時開出補焊的坡口，坡口的形式主要根據(jù)裂紋情況、部位和鏟除及施焊方便而定。凡未穿透的裂紋，深度在30 mm以內(nèi)的可開“V”形坡口;深度在30 mm以上的可開“U”形坡口;靠近根部的采用“V”形坡口。凡穿透的裂紋，深度在40 mm以內(nèi)的可開“X”形坡口;靠近根部的開“K”形坡口;厚度在40 mm以上的需開“U”形坡口。對坡口的表面滲碳氧化層用蘑菇頭式砂輪機進行打磨，磨掉氧化層露出母材的金屬光澤。

裂紋清除后應(yīng)進行著色探傷以確認裂紋是否全部清除干凈。

2.5 補焊工藝

葉片補焊可常用兩種方法，一是同種材料熱焊;另一種是奧氏體焊條進行冷焊。

2.5.1 局部熱處理加補焊

這種裂紋修復(fù)方法，就是通常所說的常規(guī)焊接工藝焊接，并對補焊區(qū)進行局部熱處理。局部熱處理對改善焊縫應(yīng)力分布、降低焊接應(yīng)力峰值有一定作用，但對焊接接頭整體殘余應(yīng)力水平降低并不明顯。比較容易造成裂紋處理現(xiàn)場勞動條件惡化，熱處理設(shè)施的布置，使得本就比較狹小的場地更加擁擠，從而反過來又對焊接質(zhì)量造成不利影響。

2.5.2 不熱處理補焊

這種方法是在對轉(zhuǎn)輪裂紋處理過程中，不進行真正意義上的熱處理，是在整個修復(fù)處理過程中，進行適當(dāng)?shù)臏囟瓤刂?。引用這種方法修復(fù)裂紋時，無疑地使現(xiàn)場的工作量最小，勞動條件相對較好，這對在相對較狹小的工作現(xiàn)場提高工作質(zhì)量有好處。但是，這樣處理后的焊縫將會處于一種高應(yīng)力水平之中，對接頭的疲勞壽命將會有負面影響。

補焊時產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力有時高達材料本身的屈服應(yīng)力，可使抗疲勞強度降低80%左右。消除這種殘余拉應(yīng)力的辦法是采用應(yīng)力應(yīng)變補償法，最好是能產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，比如通過錘擊方法來實現(xiàn)，這樣可使焊接接頭抗疲勞強度提高1～2倍。

采用機器人施焊是最好的方法，可減輕勞動強度、提高效率和保證質(zhì)量。法國、德國也都采用了這種具有6個自由度的機器人進行補焊、打磨和修復(fù)工作。

3 結(jié)語

水輪機轉(zhuǎn)輪設(shè)計強調(diào)選用優(yōu)質(zhì)的原材料，制定合理的裝焊工藝，在制造過程中注重管理，強化工藝紀(jì)律，執(zhí)行嚴(yán)格的操作規(guī)程。對裂紋產(chǎn)生的原因進行正確的診斷并積極采取一些有針對性的預(yù)防措施，有利于防止裂紋的惡化和新裂紋的出現(xiàn)，有利于提高水輪發(fā)電機組的安全、可靠、經(jīng)濟運行。