小浪底转轮叶片裂纹产生原因分析及处理措施

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1、小浪底转轮叶片裂纹产生原因分析及处理措施胡宝玉张利新钟光华摘要小浪底水利枢纽几乎所有的发电机组转轮初期运行都出现裂纹，为此小浪底工程建管局组织了多次国内专家和制造厂商研讨会，最后得出疲劳破坏是引起小浪底转轮叶片裂纹的原因，由水流作用在转轮进口的水力弹性脉动与旋转轴系的固有频率(轴向和扭转)共振所形成的，叶片出口边卡门涡频率与转轮高阶自振频率共同作用的高变应力促进裂纹的快速发展。采用在上冠出水边处加焊300mmX300mm的补强三角块修复裂纹，增加补气装置，修整出水边等处理措施来修复裂纹。关键词小浪底水轮机转轮叶片裂纹　　小浪底水利枢纽是黄河上最后一级大型

2、综合利用水利枢纽，其电站地下厂房内共装机6台，单机容量30万kW，总装机容量180万kW。水轮机的型式为混流式，设计比转速ns为162.6m·kW，额定转速107.14r/min，额定水头112m，额定流量296m3/s，最大水头141m，最小水头68m，额定出力30.6万kW，最大出力33.1万kW。转轮直径D1为6.356m，转轮出口直径D2为5.6m，转轮出口相对直径D2/D1，为0.881，小浪底机组的导叶高度b0为1.5m，b0/D1为0.236，导叶分布圆直径D0为7.239m，D0/D1为1.139，固定导叶和活动导叶之间装设有筒阀。为了抗

3、磨，水轮机设计中，取消了上冠减压装置，从而使水推力比常规设计增加约1万kN。一、转轮裂纹及现象　　小浪底首台机组(6号机)于1999年12月27日开始并网发电，此时上游水位约205m，下游水位约134m，毛水头71m。机组运行6个月，共运行1000多小时，于2000年5月28日停机小修。　　小修期间，在6月3日发现转轮的13个叶片出水边接近上冠处有11个叶片出现裂纹(后经着色探伤，确定另两个叶片也有轻微裂纹)，裂纹长度100～400mm不等，大部分为贯穿(端面)型裂纹，所有裂纹形状相似，起始点在叶片负压面与出水端面交线上，距上冠约50mm，裂纹起始端与叶

4、片出水边垂直，后以不规则抛物线形向叶片中心延伸，其中有一个叶片同时出现沿焊缝方向的裂纹，裂纹尾端扩展为树枝状(见图1叶片裂纹及修补示意图)。　　5号机在充水空载调试期间，检查发现有6个叶片产生长度不等的裂纹。以后4号机、3号机试运行后检查均发现有不同程度裂纹。所有裂纹与6号机叶片的部位相同，形状相似。补焊修复后的转轮经一段时间运行后，停机检查，仍发现类似的裂纹。国内运行的大机组水轮机也陆续出现过叶片裂纹现象。二、对裂纹起因的分析研究1．关于转轮材质　　转轮材质这是人们首先想到的疑点。经裂纹处取样分析结论为“叶片材质化学成分及金相组织等符合美国S41500

5、牌号钢的标准”。　　专家还怀疑，叶片原材料经加热模压可能造成性能变化，要求制造厂提供模压后的材料试验结果。因为小浪底转轮叶片材料仅有进厂时的力学试验资料作为对比参考。制造厂提供了相同材料的另一个转轮叶片材料模压中取样试验结果，证明不是产生裂纹的主要原因。2．关于焊接工艺　　从国内某些转轮出现的裂纹来看，焊接缺陷往往是裂纹的诱发因素。但分析小浪底的具体情况后认为，裂纹是在焊接热影响区的母材上，而且每个叶片均在同一部位，形状相似，而焊接缺陷不可能是如此一致的，这与国内其他电站的无规则裂纹有明显区别。所以，焊接因素至少不是产生裂纹的主要原因。3．关子焊后热处理

6、　　转轮上冠、下环与叶片均为马氏体不锈钢材料，焊条则是奥氏体不锈钢材料。国内不少专家认为，这是异种钢焊接，焊后应热处理消除应力，而小浪底转轮是在工地组焊加工的，不进行焊后热处理。制造厂认为这种制造方式是该厂多年来的成熟经验，不会出现问题。而从理论上认为，局部应力将会随着运行而得到匀化和消除。为了弄清焊接应力的大小，2000年10月在刚焊接完工的一台转轮上用盲孔法测量，最大的焊接残余应力301MPa(平均273MPa)。目前电站尚在低水头区运行，焊接应力虽然有一定数值，但尚不致造成如此快速裂纹损坏。而且有几台转轮经过开裂(释放应力)修复后仍在该部位开裂，也

7、可说明不完全是应力释放问题。另据了解，五强溪的几个转轮，有焊后热处理的，也有不处理的，但都产生裂纹。所以要否热处理尚有争论。4．关于大轴补气与运行稳定性　　混流式转轮存在运行脉动区，也有造成叶片裂纹的先例。小浪底转轮在初期低水头小负荷区当然也会有压力脉动，因而怀疑其运行中大轴中心补气量小，不足以消除压力脉动。制造厂进行分析计算后认为，存在的脉动力不足以形成叶片的裂纹。现场观察也觉得压力脉动和机械振动值并不大，也许高水头运行时会出现一些问题，但在当前也不会是产生裂纹的原因。5．关于设计应力　　当水轮机在最高水头、最大出力运行条件下，叶片出现最大应力设计值为

8、270MPa，已超出合同中不超过1/3屈服强度的要求。所以我们认为设计应力偏高可