摘要：以卧龙台水电站一、二号机组在2017年度例行检修时发现的转轮裂纹问题为例，分析水轮机转轮出现裂纹的机理和本次问题的具体原因，介绍本次转轮裂纹问题的处理策略，并针对此问题提出今后的预防措施，以供同行进行参考和借鉴。
关键词：水轮机；转轮裂纹；处理
1水电站概况
卧龙台水电站位于陕西省宁强县高寨子镇，距县城15km，水电站为无压引水式电站，设计水头240米，额定流量为2.4m3/s，电站安装两台卧式混流水轮发电机组装机容量2×5MW，水轮机型号为HLHF152-WJ-70；配套发电机为SFW2-J5000-4/1480，，额定功率为5181kW，额定转速为1500r/min，飞逸转速为2262r/min。
2水轮机转轮裂纹机理分析
转轮裂纹根据其裂纹的部位、走向和特征可以分为规律性裂纹和非规律性裂纹两种，前者就是指出现在不同叶片上的裂纹具有大体一致的规律，即所有的叶片都出现开裂，且裂纹的部位、走向和裂纹特征基本相同；而后者则是只发生在个别的叶片上，或者在不同叶片上的部位、走向和特征各不相同，没有任何规律可言。其具体的产生原因分析如下。
2.1规律性裂纹机理
对于规律性裂纹来说，经过对大量规律性裂纹的失效性试验和分析可以总结出，此类裂纹大多属于疲劳裂纹，且裂纹特征呈现出明显的贝壳纹，在转轮叶片上引起疲劳裂纹的主要原因就是作用在叶片上的交变载荷引起的，转轮运行过程中由于卡门涡列、水力弹性振动或水压力脉动等原因可以诱发转轮的水力自激振动，此自激振动可以导致交变载荷并引发规律性裂纹的产生，而在实际运行过程中，规律性裂纹多数是由错误的工艺引起的。转轮在水压力和离心力的共同作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边，通过第三强度理论可以计算出应力沿叶片周边的分布情况，通过分析得出转轮叶片存在4个较高的应力区：叶片进水边正面靠近上冠处，叶片出水边正面的中部，叶片出水边背面靠近上冠处以及叶片与下环连接区内，转轮叶片这些部位易产生裂纹。
2.2非规律性裂纹机理
对于非规律性裂纹来说，其裂纹种类有很多中，主要有网状龟裂纹、脆性段楼裂纹以及疲劳贝壳纹等，此类裂纹主要是由于材料质量问题或叶片在生产制造过程中产生的质量缺陷而造成的。其主要的裂纹是在转轮的铸造过程中产生的气孔或砂眼等缺陷在外部应力的作用下形成的，而如果转轮叶片与上冠、下环的厚度具有较大的差距，在冷却的过程中就会导致缩孔或疏松问题的产生，而对于采用铸焊结构的转轮，在对其进行铸焊的过程中如果采用不正确或不规范的焊接工艺，在转轮的运行过程中就容易在焊缝或受热影响较为严重的区域产生裂纹[1]。
3转轮裂纹的产生原因
3.1水轮机转轮裂纹情况
卧龙台水电站一号机组自2014年5月增效扩容投入运行以来，每年会有定期进行检查，2016年对水轮机转轮进行检查时未发现有撕裂迹象，2017年11月份的C级检修中发现了如下问题：一号水轮机转轮出水边靠下冠侧的一个叶片出现断裂情况，断裂面积约100mm2，且尾水管水舌隔板有裂纹，发电机侧径向推力轴承处有少量的乌金掉落；2号水轮机转轮出水边靠下冠侧有4个叶片根部有裂纹，靠下环及出水边侧有4个叶片有裂纹（裂纹长度约100mm）且尾水隔板也存在裂纹。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3.2卧龙台水电站转轮裂纹诊断
卧龙台水电站水轮机所用转轮为HLHF152属新型高效转轮，高效转轮的稳定性对运行工况及条件反映灵敏（目前电站的运行工况找不到更合适的转轮），机组出现的异物卡壳现象，对高速运转的（1500r/min）转轮产生水力不平衡（电站运行人员也反映，卡壳时存在瞬时振动加大及出力下降现象，这也间接验证了振动产生轴瓦损坏），从而产生机组的间断性振动。同时异物的卡壳与撞击，易对转轮流道部件产生微小损伤，从而导致微观裂纹诱因，若裂纹诱因发生在属动、静应力均较高的出水边时，则运行时间一长发生疲劳裂纹及断裂。
4裂纹处理与预防措施
4.1水轮机转轮裂纹的处理措施
首先采用磁粉探伤、渗透探伤、超声波探伤、金属磁记忆、射线检测等无损检测方法对转轮进行检查；然后对裂纹进行处理和修复，通常采用小电流、窄焊道“镶边、分段、退步”焊接方式进行焊接，焊缝保暖、缓冷后，用砂轮机打磨光滑并符合裂纹所在部位的型线，再进行观察及探伤检查，确实无裂纹和灰渣为止；为了组织裂纹延伸，需在裂纹两端打止裂孔，孔径应不小于6 mm，裂纹清理过程中如发现纹路有新的发展趋势应停止清理，再追加止裂孔，一般孔深应比裂纹深度大 4 ～ 6 mm；裂纹的清理通常采用风铲和碳弧气刨的方法，且后者速度快、操作简便，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。裂纹清除后应进行着色探伤以确认裂纹是否全部清除干净。
叶片补焊可常用两种方法，一是同种材料热焊；另一种是奥氏体焊条进行冷焊。局部热处理对改善焊缝应力分布、降低焊接应力峰值有一定作用，但对焊接接头整体残余应力水平降低并不明显。后者这种方法是在对转轮裂纹处理过程中，不进行真正意义上的热处理，是在整个修复处理过程中，进行适当的温度控制。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力，可使抗疲劳强度降低80%左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法，最好是能产生残余压应力，比如通过锤击方法来实现，这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1～2倍。
4.2水轮机转轮裂纹预防措施
在水轮机转轮的设计过程中，应在保证水轮机效率的同时尽量减少压力脉动出现的概率，而且在满足生产所需的静强度和水轮机刚度的要求下尽量避免共振问题的产生，所以在设计时为了防止出现应力集中问题，可以对叶片的厚度和叶片与上冠、下环焊缝圆弧过渡半径进行适当的增加；在转轮的生产制造过程中，可以通过焊后热处理或应力补偿的方式来消除焊接和砂轮打磨过程中产生的残余应力以及容易出现裂纹部位的残余拉应力；在水轮机组运行的过程中，机组的启停和负荷的加减都应逐步缓慢进行，并应在满足系统要求的前提下，对机组的运行条件进行优化，控制机组的运行参数在最佳的范围内运行，避开机组振动区，避免机组在低水头、低负荷的情况下运行[2]。
5结语
水轮机转轮裂纹是水电站运行中常见的故障之一，如果在运行或检修中发现此问题，可以采取改善尾水管压力脉动的补气措施，预防起动过程中水力弹性振动的补气措施，调整部件固有频率和水力激振频率，提高静止部件的刚度等措施来改善，并在转轮的设计、制造和机组运行中采取相应的措施进行预防，确保水轮发电机组的安全、可靠运行。
参考文献：
[1] 张荣富.水轮机转轮叶片裂纹的产生原因及对策[J].南方农机，2016，47（3）：62-63.
[2] 张健.大型水轮机转轮叶片裂纹产生的原因分析与处理[J].水电与新能源，2015（9）：38-39.
论文作者:李长宁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/8
标签：裂纹论文; 转轮论文; 叶片论文; 水轮机论文; 应力论文; 机组论文; 过程中论文; 《电力设备》2017年第34期论文;