红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分析及处理

红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分红石电站水轮机转轮叶片裂纹的分 析及处理析及处理 1 机组参数 白山发电厂位于吉林省桦甸市境内 是 一厂两坝三站 的大 型水力发电厂 也是东北电网中最大的水电厂 在电网中担负调峰 调频和事故备用 该厂总装机容量 1700 其中白山右岸电站 900 3 300 白山左岸电站 600 2 300 红石电 站 200 4 50 红石电站发电机组为立轴半伞式 水轮机 转轮叶片材质是 13 4 型号为 190 600 其参数为 最高水头 256 最低水头 228 额定转速 1071 额定功率 5155 设计水头 233 设计流量 251 3 飞逸转速 240 吸出高度 4 最高效率 91 叶片安放角 8 叶片数 5 水轮机转速上升率 50 蜗壳最大水压值 04 叶片法兰直径 1100 叶片法兰端面中心距 800 叶 片法兰把合螺钉分布圆直径 850 1996 年红石电站 3 号 机组在扩大性大修中 检查发现转轮 5 个叶片存在不同程度的裂 纹 2 裂纹发生的部位和特征用渗透探伤法对转轮裂纹进行检 查 发现叶片裂纹情况较为严重 裂纹发生的部位均在叶片的根部 包括叶片正面和背面 和叶片正面的出水边处 3 裂纹产生的原因分析定桨叶片与转桨叶片运行工况比较 定桨叶片在非最优工况下运行的情况多 这样会导致叶片周围水 流分布不均 引起涡流带压力脉动对叶片的频繁作用 当水压脉 动频率和机组转频接近或相同时则出现共振 会加速叶片裂纹的 产生 动水压力过大时相对降低了叶片的刚度 也会产生纵向裂 纹 由于轴流式水轮机转轮叶片为悬臂受力 叶片变截面根部若 无过渡圆弧或过渡量小易产生应力集中而出现裂纹 通过对 3 号机叶片的检查 根部和出水边产生裂纹的重要原因之一是应力 集中 为了校核机组叶片在运行中的强度 电厂与制造厂家协作 进行了转轮叶片强度理论计算 通过对红石轴流定桨式转轮叶 片各工况下的受力大小比较 其中 在额定转速最大水头工况下计 算出的最大应力 115 是出现在叶片正面出水边 一侧与根部法兰连接处 重力 离心力和水压力 3 种载荷联合 作用下叶片的应力分布情况见图 2 3 种载荷作用下叶片的变形 见图 3 转轮叶片最大变形出现在叶片出水边外侧 219 重力 离心力 水压力分别作用及这 3 种 载荷联合作用的 4 种工况下叶片的最大动应力 和最大 变形 见表 1 从表 1 可以看出 水压力是叶片所受载荷 中的最主要载荷 3 种载荷同时作用时比水压力单独作用的最大 应力稍有下降 机组运转时 叶片的最大应力 115 出现应力大的部位易产生裂纹 这与各叶片 实际裂纹集中出现的位置相一致 另外 转轮叶片的材料为 0 13 4 不锈钢 这种材质的屈服极限为 665 水中疲劳极限为 1 171 经过计算 转轮 叶片最大应力 115 虽然远低于材料的屈服极限 也低于疲劳极限 但这一应力是静应力 不包括动应力成分 该机 组是轴流定桨式 不象轴流转桨式那样在协联工况下运行 因此其 动应力较大 再加上机组振动较大 叶片实际存在的应力是比较 大的 由此可见 由于转轮叶片基本应力较高和轴流定桨式转轮 叶片运行时的动应力较大 这将会使水轮机转轮叶片在受悬臂负 荷的情况下转轮叶片根部应力集中 造成转轮叶片根部与法兰连 接处 包括正面和背面 出现裂纹 转轮叶片正面出水边一侧也产 生裂纹 由于机组长期低负荷 超负荷或在工况不好的振动区 运行 会使叶片在交变应力作用下产生裂缝或加剧裂纹的发展 红石电站的定桨式机组投产后机组在空载和低负荷工况振动较 大 空载工况严重时机组主轴法兰处摆度严重超标 高达 4 水轮机工作部位声响振动较大 经现场试验测得 水轮机在空载工 况水流通过水轮机转轮流道时 水流中产生了一个扰动频率 596 正好接近机组轴系的一阶固有频率 60 因而出现了 合拍现象 产生共振 这些问题的存在促使了转轮叶片裂纹的产 生 通过以上的分析 认为红石电站 3 号机组转轮叶片裂纹产生 的原因是 机组运行中的悬臂转轮叶片根部应力集中 叶片所受的 基本应力较高 加之各种载荷的联合作用时的动应力较大 叶片所 受交变动应力在共振工况下不断加剧 材料疲劳 致使转轮叶片产 生裂纹 4 裂纹的处理对 3 号水轮机转轮叶片检查出的裂纹的部位 形状 长度及可能继续发展的方向进行了全面的分析 并采取针 对性措施对叶片裂纹进行修复 在叶片修复时严格执行修复方案 和遵守焊接工艺 为加强叶片根部的强度 用堆焊的方法有意加 大叶片正面出水边一侧与根部法兰连接的过度圆角的 值 为 阻止裂纹的延伸 在裂纹的尾部钻止裂孔等措施进行全面处理 1 由于裂纹的尾部内应力接近材料的极限强度 在外力 或热应力的影响下还会继续延伸 因此 在清除裂纹前需在裂纹 的纹尾部位打止延孔截断裂纹 阻止裂纹的延伸 钻直径为 8 的孔 一般孔深比裂纹深度大 4 6 2 裂纹的铲除采用速度快 操作简便的碳弧气刨刨除裂纹 的方法 防止因刨除裂纹时因温度影响原裂纹的延伸 应由止裂孔 处向裂纹反方向清除裂纹 直到去除裂纹为止 为了防止过热引 起变形和裂纹扩展 碳弧气刨必须间断使用 同时开出补焊的坡 口 坡口的形式主要根据裂纹情况 部位和铲除及施焊方便而定 凡未穿透的裂纹 深度在 30 以内的可开 形坡口 深度在 30 以上的可开 形坡口 靠近根部的采用 形坡口 凡 穿透的裂纹 深度在 40 以内的可开 形坡口 靠近根部的开 形坡口 厚度在 40 以上的需开 形坡口 靠近根部的开 形坡口 对坡口的表面渗碳氧化层用蘑菇头式砂轮机进行 打磨 磨掉氧化层露出母材的金属光泽 3 为确保修复处的强度 刚度及材质的可焊性要求 施焊采 用机械性能强 抗裂性好 塑性大的 367 及奥 237 不锈钢焊 条 使用前必须要在 350 温度下烘干 2 在 100 恒温下进行 保温 4 为了减少补焊区的应力集中及改善焊缝的金相组织 特别 是焊缝与基材过渡区的热影响 防止再次产生裂纹 在焊前对缺陷 部位进行整体或局部预热 采用履带式加热板在裂纹部位进行 预热 温升速度以 8 10 为宜 温度控制在 80 120 预热 温度达到要求后再恒温 2 4 即可施焊 施焊采用薄层 分段 退步焊接技术 长焊缝采取分段焊 每段长 100 150 300 以上者采取分段退步焊 300 以下可由中间向外焊 注意防 止施焊修复过程中起弧和断弧产生裂纹 为防止接头处平齐而 影响焊缝质量 分段接头处应逐层搭接 正反面焊缝轮番施焊 对 深度在 40 以上的坡口 应使用双侧镶边焊技术 对深度在 40 以下和靠叶片根部的坡口则可用单侧镶边焊技术 对穿 透性裂纹应在其正面焊 2 3 道焊波后再在其背面用风铲铲除坡 口底部的焊瘤 待露出新的焊波时再开始施焊 裂纹堆焊中 底下 几层最好用直径 32 的电焊条并在保证焊透的情况下尽量采 用小电流和短电弧 一般 2 25 要求焊搭接宽度不小于焊链 宽度的 1 3 防止咬边与弧坑及弧坑裂纹的产生 5 采用锤击法消除焊接处的表面应力 并用砂轮打磨光滑 与 叶片的型线一致 5 结语红石水电站 3 号机水轮机转轮叶片裂纹修复后 机组 于 1996 年 12 月 18 日投入运行 经过机组调频 调峰的频繁起 停及长时间的带满负荷运行 到