澜沧江流域大型水轮机转矩裂纹综合防控技术研究

澜沧江流域大型水轮机转矩裂纹综合防控技术研究

0机组运行中频繁产生的裂纹汉江河能源气站被列为“中国13个水电气站规划”的第7个。江江流域云南段规划建设年建筑面积约2600万吨kw。随着澜沧江流域大型水轮发电机组逐步投运,水轮机组逐步暴露出一些影响机组安全运行的共性问题,其中,水轮机转轮在运行中频繁产生裂纹是目前已投运机组最为突出问题。截止到2012年12月31日,澜沧江云南段已投产的30台大型水轮发电机组中,共检查发现26台机组转轮出现裂纹,裂纹最长达1300mm。目前,大型水轮机转轮普遍采用ZG00Cr13Ni4Mo和ZG00Cr13Ni5Mo等新材料制造,可减缓转轮空蚀,但这些新材料的应用带来的问题便是机组投入运行后转轮频繁产生裂纹。本文通过对澜沧江流域已投产大型水轮机转轮裂纹的检测、检验、运行调整试验和统计分析,探索转轮叶片固有频率分布规律和水轮机避振运行技术,从转轮结构、转轮检修、机组运行控制等软硬件方面,归纳整理切实可行的大型水轮机转轮裂纹综合防控技术,为澜沧江流域和其它流域即将投产的水轮机转轮裂纹防控工作提供技术储备,减缓或杜绝大型水轮机转轮在运行过程中产生裂纹。1冠母材上裂纹对澜沧江流域已投产的大型水轮发电机组转轮裂纹进行检验、统计、分析。多数转轮裂纹为垂直于叶片出水边的贯穿性裂纹,少数为上冠母材上的非贯穿性裂纹。运行后产生的裂纹,集中出现在3个区域。第一个区域是叶片与上冠连接的出水边焊缝上或焊缝热影响区上,共160条,占转轮裂纹的62%,裂纹最长达480mm。第二个区域是叶片与下环连接的出水边焊缝上或焊缝热影响区上,共96条,占转轮裂纹的37.2%,裂纹最长达1300mm。第三个区域是叶片出水边中部,共2条,占转轮裂纹的0.8%。2运行方面的原因造成转轮裂纹的产生及扩展的原因是多方面的,既有制造、安装方面的原因,如铸造、焊接、热处理等工序引发的内部缺陷、残余应力集中,又有设计、运行等方面的原因,如转轮叶型、尺寸参数、运行参数等造成的结构性应力集中、机组共振等,在机组运行中,上述几个方面因素对转轮裂纹的产生及扩展起着共同作用。但根据统计的大量转轮裂纹出现的规律来看,结构性应力集中、机组共振是转轮在运行过程中产生裂纹的两个最重要的因素,要想降低裂纹的产生及发展概率,须从上述两个方面入手进行控制,因此,本文的转轮裂纹防控技术也将着重从这两个方面来探讨。3关于旋转结构的预防和准备3.1轮模型各部件应力分布为了掌握转轮的应力分布情况,利用有限元分析软件计算混流式水轮机叶轮模型各构件不同位置的应力,计算出不同运行工况下混流式叶轮模型各部件应力分布。叶轮模型选择某电厂裂纹最严重的水轮机转轮,针对该转轮的结构特点和水力状况,用有限元分析软件计算转轮各部件不同位置的应力值,计算得到在正常工况和飞逸工况下水轮机转轮上各部位应力从大到小的分布顺序是:叶片出水边与下环连接区域,叶片与上冠中部连接区域、叶片出水边与上冠的连接部位、叶片出水边中下部。其正常工况和飞逸工况下的应力分布见图1、图2所示。3.2叶片固有频率试验选择某电厂裂纹最严重的两台同规格的机组水轮机转轮进行叶片固有频率试验。其中#5机组为叶片加装大三角块的转轮、#2机组为叶片未加装大三角块的转轮。1固有频率试验结果表1为某电厂#2、5机组转轮叶片下环附近固有频率试验结果(下环与出水边连接处为原点,沿出水边为X轴,逆水方向为Y轴。叶片顺序:从上往下看逆时针)2固有频率试验结果表2为某电厂#2、#5机组转轮叶片上冠附近固有频率试验结果(上冠与出水边连接处为原点,沿出水边为X轴,逆水方向为Y轴。叶片顺序:从上往下看逆时针)。3相同叶片的固有频率从两台机组转轮叶片固有频率试验结果看,不论叶片是否加装大三角块,对同一转轮而言,不同叶片在相同位置具有不同的固有频率,而同一叶片在不同部位也具有不同的固有频率。5#机转轮叶片加装大三角块后,上冠处的固有频率与没有加装大三角块的2#机不同。由此可见,大型水轮机叶片具有复杂的多阶固有频率特性,并且各局部具有不同的固有频率特性,因此,在机组运行中要注意避开容易引起叶片局部共振频率的负荷区间。3.3率机组叶片多阶固有频率特性特点1)转轮叶片出水边与上冠连接处加装大三角块根据转轮叶片应力计算和计算机模拟分析结果,转轮叶片出水边与上冠连接处为应力较高区域,且该区域为澜沧江流域水力发电机组裂纹频发区域。对叶片扭曲较大的高效率机组叶片,在叶片出水边与上冠连接处加装边长为300mm的等边三角形大三角块,增加叶片连接强度、减小应力集中、避开叶片易共振固有频率,使叶片出水边与上冠连接处的裂纹明显减少。2)转轮叶片出水边减薄并圆滑过渡根据叶片固有频率试验结果,相同型号、相同规格水轮机叶片的相同位置,具有不同的多阶固有频率。同一水轮机叶片的不同部位具有不同的多阶固有频率。大型水轮机转轮叶片具有复杂的多阶固有频率特性,易在振动等外界因素诱导下,形成叶片局部区域共振,造成叶片疲劳断裂。根据叶片出水边厚度,以出水边为起点,在30-50mm范围内将整片叶片出水边减薄并圆滑过渡,可降低卡门涡造成的叶片疲劳断裂。3.4叶片出水边区域结合机组检修,对转轮进行全面宏观检查,发现可疑迹象,及时用渗透检测等无损检测方法进行复查。对叶片出水边与下环连接区域、叶片与上冠中部连接区域、叶片出水边与上冠的连接部位、叶片出水边中下部等裂纹高发区域进行100%渗透检测。发现裂纹,严格按制造厂提供的裂纹处理工艺进行修复,防止裂纹扩展。发现有弧坑、凹坑等损伤及时打磨并圆滑过渡,减小应力集中程度和消除疲劳源。4在重视能源系统的运行和控制中，车轮破裂率的防控4.1振动特性与机组运行的控制关系的探讨1机组稳定性试验分别选择容量为350MW和700MW且频繁出现裂纹的机组各一台,结合机组稳定性试验,探索机组不同负荷下水轮机顶盖和尾水脉动压力的变化情况,见图3至图8。2机组振动幅值及频率特征某350MW机组顶盖在50~200MW负荷区振动明显,其最大值达197.4µm,当负荷超过200MW后振动明显减小,最大值为49.7µm,最小值为8.9µm。当负荷超过200MW后,顶盖振动处在GB/T6075.5-2002《在非旋转测量和评价机器的机械振动》第5部分:水力发电厂和泵站机组所规定的A/B区范围内,可长时间运行;从机组的蜗壳水压和尾水水压脉动测试数据分析,当机组处于50~180MW之间时,蜗壳水压脉动有明显的变化,其最大值为144.2kPa,尾水水压脉动最大值为12.7kPa。当机组负荷超过180MW后,蜗壳水压脉动基本处于29kPa以下。某700MW机组下机架及顶盖振动幅值在空载至260MW时为45μm左右;260MW至400MW的机组振动区内分别有最大值71μm和72μm;420MW至650MW时下机架及顶盖振动幅值均在50μm左右,处于GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》第5部分:水力发电厂和泵站机组所规定的B/C区范围内,可以长期稳定运行。上机架振动幅值全负荷均处于GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》第5部分:水力发电厂和泵站机组所规定的C/D区范围内。从机组的蜗壳水压和尾水水压脉动测试数据看,随着机组负荷增加,机组的蜗壳水压和尾水水压总体呈逐步降低趋势。图7、图8分别为350MW及700MW机组顶盖振动最大的负荷(分别为120MW和280MW)对应的振动频谱分析图。从频谱分析图中可以看出,350MW机组和700MW机组在顶盖振动最大的振动频率均属于低频振动范围(<3Hz),机组振动频率相较于转轮叶片测量到的固有频率无重叠范围,机组运行期间可避免叶片共振的发生。4.2规避是否执行避振是否运行的影响因素逐台进行水轮机组稳定性试验,根据水轮机稳定性试验结果,科学制定含有避振运行负荷区间、不宜长期运行负荷期间等内容的避振运行措施并严格执行,使机组避开振动较大的负荷区域运行,避免因机组剧烈振动诱发的叶片局部区域共振,降低叶片疲劳断裂概率。5防治叶片裂纹方面本研究之前就对澜沧江流域多个水轮机组转轮叶片断裂部位取样分析,分析结果发现造成叶片断裂的主要原因是由于叶片应力水平较大的部位在运行中受到振动而导致该部位产生疲劳裂纹,裂纹逐步扩大进而发生断裂,未发现因叶片受到应力超过材料本身的应力强度水平而发生的过应力断裂现象。由此判断,该流域水轮机组叶片断裂原因是由于叶片局部振动而产生的疲劳断裂。从前述分析可以看出,防治叶片裂纹产生可以从下述方面入手:1在叶片出水边加装大三角块改变叶片的固有频率特性,增强叶片连接强度,降低裂纹产生几率;3执行严格的运行控制措施,避免机组在振动剧烈负荷区间长期运行,减少振动导致的叶片裂纹。通过云南澜沧江流域大型水轮机转轮裂纹综合整治研究工作,在电力研究机构、制造厂、检修单位、运行管理单位的合作下,从转轮结构、转轮检修、机组运行控制等软硬件方面,探讨澜沧江流域大型水轮机转轮裂纹综合防控技术,并在该流域机组上应用,转轮裂纹显著减少,大部分机组已经杜绝裂纹的产生。当然,水轮转轮裂纹的产生原因较复杂,不同流域、不同类型的水轮机转轮裂纹防控措施会有差异,应结合机组具体情况进行分析总结。叶片各区域的振动频率测量能真实的反映出