水轮机叶片裂纹的原因分析

水轮机叶片裂纹的原因分析

万家寨水库安装了6台斗式式水轮发电，总容量为180mw。其中1～4号水轮机由天津阿尔斯通水电设备有限公司制造；5～6号水轮机由上海希科水电设备有限公司制造；6台发电机均由哈尔滨电机有限责任公司制造。水轮机基本参数：1～4号水轮机为HLFN235-LJ-610；额定功率183.7MW；额定转速100r蛐min；飞逸转速210r蛐min；额定流量290.7m3蛐s；额定水头68m；最大水头80m；最小水头50m；固定导叶数24；活动导叶数24；转轮叶片数13。5～6号水轮机为HLS217-LJ-585；容量、转数、水头、转轮叶片数与1～4号水轮机相同；额定流量为293.91m3蛐s，固定导叶19个，活动导叶20个。万家寨机组从1998年11月28日1号机组发电到2000年12月15日最后1台机组发电至2002年8月25日6台机组共运行了52231h,2002年4月发现转轮叶片有裂纹，裂纹的产生对机组的安全运行构成了威胁，引起了各方的广泛关注。1叶片裂纹种类从叶片裂纹的外貌看，裂纹是很有规律的，1～4号机水轮机转轮叶片裂纹分布、数量、和长度的统计见表1。从叶片裂纹表面形态可分为A、B、C、D4种形式。(1)A类裂纹。1～3号机叶片上部和4号机中的2只叶片上部，从出水边开始沿上冠和叶片交接处的焊缝向叶片母材方向延伸均为A类裂纹。此类裂纹数量最多且最长（见图1）。为分析和解决转轮叶片出现裂纹问题，在2号机叶片裂纹处分别取了试样。从试样可以清楚看出，裂纹源的部位在叶片背面出水边，距出水边25～150mm，在焊缝下面距溶合线5～30mm处。从试样的表面宏观可见呈贝壳状条纹一层层扩展推进的前延线，是典型的疲劳断裂。(2)B类裂纹。B类裂纹都发生在上冠和转轮叶片出水边的三角部位的焊缝上，裂纹短，一般为0～70mm（从出水边开始），并有向上延伸的趋势（例如有5条裂纹的终点都到达上冠）。B类裂纹虽然短，但都是穿透性的（见图2）。(3)C、D类裂纹。此两类裂纹没有扩散，裂纹源很直观，C类发生在叶片出水边缘和下环相交处三角地带的焊缝处。D类裂纹源发生在叶片出水边三角块处的焊缝处。2裂缝形成的原因2.1等距原理2.1.1号机检修中微裂纹的发生原因分析在1～3号机转轮叶片的检查中我们发现，虽然主要的空蚀区和裂纹源都发生在出水边上冠和叶片相交处，但是空蚀并没有引发裂纹。这可以说明两点：(1)裂纹源并没有发生在空蚀坑上。(2)裂纹没有横穿空蚀坑或空蚀密集区。由于叶片是铸件，对叶片检查时，其铸造质量是一个重点，但是铸造的缺陷并没有引发裂纹，例如；1号机在L号叶片上原有2个铸造气孔，相距40mm，叶片产生裂纹后，我们将二个气孔刨开，发现气孔并没有引发裂纹，其他机组转轮上的铸造缺陷我们也没有发现引发裂纹的迹象。由于1号机的裂纹都发生在焊缝的热影响区，我们曾把注意力集中在焊接质量上，但是在2号机取样的金相分析中，并没有发现晶粒粗大等焊接缺陷，所以说A类裂纹并不是焊接质量引起的。为了查明裂纹产生原因，在2号机检修时，我们分别从1只转轮叶片上取2块试样，并分送2个较有权威的检测机构进行分析。分析测试报告分别为：(1)可以看出起裂表层存在的枝晶间裂纹，是叶片疲劳裂纹的萌生位置；(2)将叶片断口试样放入电子显微镜下（型号S570）进行叶片断口的微观分析，发现在叶片产生疲劳裂纹之前，在疲劳裂纹源区附近曾掉了一小块金属，在豁口处发现了和叶片机体成分相同的夹杂物。可见，两份报告在“叶片产生疲劳裂纹之前，起裂表层存在微裂纹（豁口），并引发疲劳裂纹的产生”，这一点上是一致的。在1、3号机上我们没有取试样分析，但是除裂纹特征一样这一点外，有一些裂纹可更进一步说明叶片产生疲劳裂纹之前表层存在微裂纹。所以，笔者认为微裂纹极有可能是在焊接工艺基本都完成后，最后手工打磨时形成的，其理由如下：(1）所有的A类裂纹的起源点都是在转轮叶片表层，呈浅细、个别有分叉。(2）由于叶片材料是马氏体不锈钢又是手工打磨，容易产生磨削量过大、砂轮不平衡等磨削工艺不当的现象，从而引起叶片表层局部温度瞬时升高，随后又被快速空冷，容易引起局部较大的综合应力和淬火、回火，造成拉应力变大和迭加，导致磨裂。(3）裂纹和磨削痕迹相垂直，是磨削裂纹的独有特征。(4)3号机叶片加工打磨后，发现有微裂纹，进行了处理，并且有微裂纹的叶片是相邻的，这和发生裂纹叶片也大部分相邻很相似。(5）由于结构、焊接、等原因，转轮上冠和转轮叶片相交处叶片背面出水边部位是转轮叶片受力最大、空蚀破坏最严重、应力最集中的部位。在20世纪70年代我国的有关科研人员就测定叶片与上冠的出水端处是叶片最大应力点之一。这次我们又请有关科研单位进行了测试，进一步证明了这一点。所以，上述部位也是打磨时最容易出现微裂纹的部位。2.1.2低负荷区共振的特性裂纹有了裂纹源后还要形成、扩大。根据有关科研院校的研究、试验和计算及运行的实际我们总结了以下几点：(1）尾水管中涡带引起的振动。机组在低负荷时有一个振动区间，在一定的频率下还将产生共振（即水轮机低负荷区高强度、宽频带水压脉动，与转轮叶片若干阶自振频率，特别是低阶形成共振）。(2）卡门涡列引起的共振。尤其是在高水头下（运行水头在76～77m以上）9～13万kW负荷区间运行时其振动是非常明显的。(1)清华大学的研究和计算表明，万家寨电站机组的频率在41～100Hz之间，均在目前实测振动数据频域能量分布的几个峰值区内；(2)裂纹产生的部位，目前的研究表明，卡门涡列引起的共振使转轮叶片产生的裂纹几乎都在转轮上冠和叶片相交处的出水边上。根据以上分析可得出：A类裂纹是由焊接加工后的工序———打磨引起的裂纹源，经过涡带和卡门涡列引起的振动（包括共振）造成的强振动，使裂纹扩展。2.2抗磨涂层的产生和受破坏部分的涂层厚度和厚度对其作用的影响从表1可以看出，4号机运行的小时数最短，但它的裂纹长度并不短，并且每个叶片上都有裂纹。1号机没有涂层，它的运行时间最长，但它的裂纹不是最多的，也不是最长的。1～4号机的转轮叶片都是出自一张图纸，同一厂家；其主要的不同点是涂层不同，1号机没有涂层，2～3号机的涂层是软涂层，并在3～6个月内被水冲光，4号机是环氧复合涂层，运行5577h后，涂层部分保留。单纯从涂层的质量来讲，4号机好于3号机，3号机又好于2号机，但是4号机转轮叶片涂层损坏的一个重要部位是叶片出水边和上冠相交处，4号机的裂纹又都是在这里产生（见图2）；转轮强度特性仿真计算结果也表明该处为应力集中区域，但裂纹产生是疲劳破坏，为动载荷的作用结果。2002年8月检查焊接裂纹时，将4号机转轮叶片和上冠相交处的涂层全部剥掉，至2003年7月，4号机又运行了3047h，停机检查转轮叶片除1条30mm焊接裂纹外，没有发现其他裂纹。清华大学等单位的研究表明，卡门涡列和叶片的固有频率引起的共振是万家寨电站转轮叶片产生裂纹的一个重要因素。那么，是否可以说叶片出水边靠近上冠处涂层的不同程度损坏增大了卡门涡列引起共振的频率范围，使共振增加、增大呢？在2～4号机活动导叶和转轮叶片涂层损坏后的边缘处母材上都有漩涡状的冲击痕迹，有的深度达几毫米，并且此处的空蚀也较其他部位严重。这里有一个条件是涂层要有足够的厚度，2～4号机的涂层的厚度约2mm,5～6号机的涂层厚度是0.2mm左右。5、6号机涂层也有被破坏的，但是其被破坏处的母材处并没有4号机出水边和上冠相交处出现破坏，也没有引起裂纹。其原因是图层很薄（当然，这与叶片根部加了三角块使其本身的应力变小有关）。可见，转轮叶片出水边和转轮上冠相交处是应力较集中的部位，也是水压力脉动比较强烈的位置，此部位的涂层很容易被破坏，被破坏后又助长空蚀和裂纹的发生和发展；并随出水边厚度的增加呈上升的趋势。根据以上分析：由于涂层在转轮叶片和转轮上冠出水边处被破坏，客观上增加了转轮叶片出水边的厚度，从而使产生涡列的因素大大增加。这是造成B类裂纹的直接原因。为了防止水轮机的磨蚀，现在有很多人都在研究抗磨涂层，但是成功的还不是很多。好的涂层不但可以防止磨蚀，也可以阻遏裂纹的发生和发展。但是涂层被破坏后，如果得不到及时的修补，它的作用往往相反，对设备的破坏性很大。这点应引起我们的重视。2.3焊缝上有裂纹从我们的现场观察，C、D