HLA835a转轮裂纹情况分析及处理.docx

HLA835a转轮裂纹情况分析及处理
 
 
刘国章
摘 要：枫树坝水电厂水轮机增容改造运行3年后，2007—2013年转轮叶片均出现了较严重的裂纹。针对叶片裂纹，结合运行、设计制造、水力特性等对其进行分析，提出裂纹处理方案和控制裂纹的措施。
关键词：水电厂；HLA835a转轮；叶片裂纹；裂纹消除
：+23 ：A DOI：.
1 机组概况
枫树坝水电厂位于东江上游干流，广东省龙川县境内，是以发电为主、兼具防洪和调度补水功能的综合枢纽工程。流域面积5 150 km2，水库为不完全年调节。正常高蓄水位166 m，发电消落水位147 m。坝内式厂房装有2台100 MW的混流式机组，一号水轮机型号为HLA83a-LJ-417，由哈尔滨电机厂有限公司生产，转轮叶片材料为ZG00Cr13Ni4Mo，13个叶片。 r/min，设计额定水头为61 m，采用短管和大轴中心自然补气方式，于2004-06-30改造后投产。
2 近3年转轮叶片裂纹情况统计
近3年转轮叶片裂纹情况统计结果如表1所示。转轮叶片裂纹如图1所示。
图1 叶片裂纹图
3 裂纹情况分析
根据国内大中型水轮机的运行统计，转轮出现裂纹的情况是相当普遍的，特别是叶片形状近“X”形的转轮，几乎很难避免。从裂纹产生部位来看，主要集中在叶片出水边较薄弱的地方，包括上冠和下环薄弱部位。本厂裂纹部位为靠近上冠出水边的“T”头焊缝处，多为穿透性疲劳裂纹，且多数重复出现。
4 转轮裂纹的主要原因
不利工况影响
根据2007—2010年度一号机组的运行负荷和时间统计分析，机组在45%Pt负荷以下运行时间超过50%，机组经过高水头和低水头长时间运行，存在10～45 MW的振动区，机组运行需要AGC投入运行。由于机组台数少，AGC避振运行难以实现，大部分运行水头段低负荷，机组无法避开振动区运行。
水轮机的水力特性和力学特性
水轮机在低水头、低负荷区运行时，由于叶片的出口正环量较大，进口边背面易脱流，因此转轮在该区易产生较强的涡带；在高水头、低负荷区，叶片的出口负环量较大，叶片背面脱流更大，因此转轮在该区域易产生较严重的叶道涡。在涡带工况产生的交变应力作用下，叶片会产生疲劳性裂纹，并扩展造成穿透性裂纹。
通过转轮建模分析，应用有限元强度计算，转轮在节径为1时， Hz，与叶倍频数值f=nZ/60接近，易引起该部位的共振，产生疲劳破坏。
设计和制造不足
由于转轮叶片扭曲近似“X”形，其特点为过流能力强、效率高、适应水头变幅大，但叶片出水边较薄，出水边厚度为16～20 mm，叶片相对单薄，强度不足。同时，在不利工况下，转轮室真空负压区域自然补气困难，压力脉动和涡带等不利水力因素无法得到改善或消除。
检修时，发现叶片焊接区域存在较多的夹渣情况，说明转轮制造过程中质量控制不严，降低了焊接部位的疲劳强度。转轮在不利工况中运行时，易在交变应力作用下产生裂纹。
5 修复方案
需要的设备
除所需的常规焊接设备外，电厂现场焊接需要的特殊工器具和材料如表2所示。
返修工艺重点
返修工艺主要包括：①根据PT探伤检