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木坡水电站水轮机转轮裂纹分析及改造修复论文浅谈

发表时间：2021/1/29 来源：《建筑科技》2020年8月上作者：段志国

[导读] 论文介绍了四川省阿坝州小金县木坡水电站水轮机转轮安装工艺及其特点并结合自己现场及厂家对机组运行工况、检修周期、转轮裂纹缺陷周期、针对转轮裂纹修复过程的工艺经验、编写了此论文。

中电建水电开发集团有限公司四川小金水电开发公司段志国 624200

【摘要】论文介绍了四川省阿坝州小金县木坡水电站水轮机转轮安装工艺及其特点并结合自己现场及厂家对机组运行工况、检修周期、转轮裂纹缺陷周期、针对转轮裂纹修复过程的工艺经验、编写了此论文。
【关键词】木坡水电站、转轮裂纹、原因分析、修复工艺。
        一、电站概况
        木坡水电站位于四川省阿坝州小金县境内的抚边河干流上，为抚边河干流自上而下的第3级电站。上游与美卧电站相连，下游与杨家湾电站相接，木坡水电站采用引水式开发，电站枢纽建筑物包括首部拦河取水枢纽、引水系统和厂区枢纽等组成。电站正常蓄水位2709m，利用落差135m，设计引用流量43.32m3/s，装机45MW，装机3台，单机容量1.5万kW，2014年4月11日2号机组投产发电，4月12日1号机组投产发电，7月20日3号机组投产发电。2016年8月春厂坝电站投运后，整个流域的集控中心同步投运，木坡和春厂坝电站纳入总负荷模式运行，2018年9月杨家湾电站投运后也纳入流域集控中心总负荷模式运行。
        二、转轮裂纹总体情况
        （1）机组基本型式：
        木坡水电站机组由浙江中水发电设备有限公司制造，其水轮机型号为HL（F713）-LJ-140，发电机型号为SF16500-12/3200，竖轴悬式，额定功率16.5MW，额定转速500r/min，额定水头118m机组采用上导、下导、水导三部导轴承，上导、下导、水导为桶式瓦结构，推力轴承轴瓦为分块瓦结构，转轮叶片数15片，活动导叶20片（导水机构改造后为20片）。
        （2）厂房相振情况：
        机组投运后，由于机组导水机构活动导叶数与转轮叶片数不匹配出现相振现象，引起厂房地面楼板、水工建筑物、压力钢管支管等部位振动幅值超标。按照专家组意见2015年4月28日对2号机组导水机构完成改造，消除了相振现象。随后于2016年5月28日、2016年1月13日分别完成对1号机组、3号机组导水机构改造。彻底消除了机组运行的相振现象。相振彻底处理前，3台机组运行小时数分别为1#机组7200小时、2#机组3500小时、3#机组4970小时。
        （3）转轮裂纹情况：
        1号机组投运后，2014年12月1日首次C修进行流道检查时发现转轮出水边三个叶片存在长度100～150mm的贯穿性裂纹。2015年4月11日，第二次C修检查时发现转轮三个叶片出水边再次出现贯穿性裂纹，长度100～150mm，其中有两个叶片是原来处理过的，有一个叶片是新增加的裂纹。2015年8月4日，第三次C修检查时发现转轮出水边三个叶片再次出现裂纹，长度150～250mm,均为原来修补过的叶片。2016年1月进行导水机构改造时，发现转轮出水边三个叶片已经断裂。2016年10月26日对更换后的转轮进行例行检查时发现13个叶片均存在100～150mm的裂纹。2017年3月汛前检查，发现3个叶片出现裂纹。2017年11月例行C修发现3个叶片出现裂纹。2018年5月电站全停水检查发现9个叶片出现30～120mm的裂纹。2018年11月例行C修发现5个叶片出现裂纹。2019年4月13日汛前检查发现有3个叶片出现裂纹。2020年4月20日汛前检查发现2个叶片出现裂纹。
        2号机组投运后，于2015年1月22日进行导水机构改造时发现转轮出水边3个叶片出现贯穿性裂纹，长度100～160mm。2015年8月4日，导水机构改造后投运三个月，对转轮流道进行检查，发现原修补过的叶片有一个再次出现贯穿性裂纹，长度约100mm。2016年3月2日在Ｃ修检查时发现以前修复过的叶片再次出现裂纹。2016年8月29日，检查发现原修复的一个叶片出现200mm长裂纹，2016年11月5日修复处理。2017年3月汛前检查发现3个叶片出现裂纹。2017年11月例行C修发现5个叶片出现裂纹。2018年5月电站全停水检查发现4个叶片出现30～120mm长度的裂纹.2018年11月例行C修发现3个叶片出现裂纹.2019年11月A修时发现1个叶片出现长120mm的裂纹。
        三、裂纹原因分析
        （1）：2018年中水科和哈尔滨电机厂分别对木坡电站转轮裂纹进行了初步判断分析，认为木坡电站水轮机低负荷运行工况区与满负荷最优工况区存在一定的偏离，根据经验判断，低负荷这一区域可能是HL(F713)-LJ-140型水轮机的尾水管强涡带区，水轮机过流通道中的水体存在幅值较大的水压脉动。每年12月份至来年3月份为枯水期，机组出力只有3000～4000 kW，仅为额定出力的20～27%。水轮机长期在此区域的工况下运行，在水压脉动的作用下，水轮机转轮叶片（包括其他各部件）长期承受交变力作用。若转轮叶片强度裕量不足，则转轮叶片将会因疲劳破坏而出现裂纹。这种工况为小负荷、低单位转速工况，水轮机内部流动十分紊乱且不稳定，对转轮叶片的破坏力非常强，许多电站就是因为水轮机长期在此种工况下运行而导致叶片出现裂纹，因此大多数电站将这种工况列入禁止运行区。
        （2）：2019年初我公司与成都正和资讯公司进行了木坡电站转轮裂纹原因专项技术监督工作，通过外委专家和部门收集的转轮裂纹资料和木坡电站建设、运行期的原始资料，对木坡电站1G、2G机组转轮产生裂纹的原因进行了综合分析，一是由于3G机组转轮从投运至今未发生过裂纹，并结合木坡电站每年12月份至来年3月份为枯水期运行数据看，由于木坡电站3G机组一次调频动作频繁，在低负荷运行区域负荷调节时间过长，所以在每年枯水期极少开启3G机组低负荷运行，也是未产生裂纹的因素之一。二是由于岔管布置不尽合理，相互之间水力干扰引起的压力脉动，压力脉动形成的交变荷载作用于叶片后产生疲劳破坏。三是电站引水系统布置不尽合理，进入流道的泥沙产生叶片磨损、小石对叶片产生锤击效应是裂纹产生的重要诱因。四是转轮制造过程中的个别叶片存在质量缺陷和焊接修复的工艺质量控制不足是裂纹产生的主要内因。
        四、改造方案
        混流式水轮机运行中转轮出现裂纹是一种比较常见的缺陷，木坡电站的转轮裂纹不限于厂家的选型及制造原因引发，还有水力综合因素造成，根据2018～2019年连续通过厂家及外委专家组对木坡电站水轮机转轮裂纹综合分析，我公司认为1G、2G转轮裂纹产生的原因主要归结为两点：一是引水流道布置不尽合理，低负荷运行区域尾水管强涡带过流通道中的水体存在幅值较大的水压脉动，造成叶片疲劳破坏。二是转轮制造及裂纹发生后现场修复过程中的个别叶片存在质量缺陷和焊接修复的工艺质量控制不足是裂纹产生的主要内因。
        由于转轮重新更换型号或叶片改造都属于较大技改项目，且产生转轮裂纹的原因是多方面的，因此也极有可能在更换转轮后叶片继续出现裂纹，对转轮返回工厂，通过加强工艺要求来进行全面恢复。一方面在枯水期低负荷下长期运行3G机组，对比观察裂纹有无发生的情况，进一步排查流道布置对裂纹产生的影响，另一方面，通过优化机组负荷组合调节机组运行工况，减少不良工况下对转轮的影响。通过充分的对比论证后再综合考虑下一步的技改方向。
        五、强化返厂修复转轮及施工工艺
        （1）转轮叶片清理全面探伤
        施焊前对转轮的叶片逐片进行PT检查，检查叶片是否存在裂纹，并将细小缺陷标注，便于施工，同时将有裂纹的叶片需要焊接修复区域用砂轮打磨光滑便于施焊。
        （2）转轮叶片出水边检查与预处理
        2.1测量相邻叶片间的开口值，作为修复后的检查基准。
        2.2采用焊接钢管在叶片进水边间焊接支撑（用转轮同材质不锈钢焊条焊接）以防止叶片开口变化。
        2.3裂纹之间加焊C形块定位。
        （3）转轮叶片裂纹焊接加热保温工艺要求
        3.1用碳弧气刨或砂轮打磨的方式清理叶片正面裂纹，清理深度约2/3叶片厚度，并预制坡口。裂纹清理时应从距开裂处约10mm的地方反向进行，以避免裂纹扩展，此方法是标准清理裂纹的方法可有效避免裂纹扩展。
        3.2打磨清理部位，见金属光泽，并按ASME标准对清理部位进行PT探伤，以确认裂纹完全清除。
        3.3将焊接区域及四周50mm范围内的油污、水分等杂质清理干净。
        3.4转轮预热120℃后，用00Cr16Ni5Mo母材焊条，E416φ1.2焊丝或E416φ3.2不锈钢电焊条采用多层窄道焊。焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力，焊接电流与焊条关系见下图表（1）：

        3.5用碳弧气刨或砂轮打磨的方式清理叶片背面裂纹。
        3.6打磨清理部位，见金属光泽，并按ASME标准对清理部位进行PT探伤，以确认裂纹完全清除。
        3.7将焊接区域及四周50mm范围内的油污、水分等杂质清理干净。
        3.8转轮预热120℃后，用00Cr16Ni5Mo母材焊条，E416φ1.2焊丝或E416φ3.2不锈钢电焊条采用多层窄道焊。焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力。
        （4）转轮上下止漏环及叶片进水边处气蚀补焊
        4.1转轮预热120℃后，用00Cr16Ni5Mo母材焊条，E416φ3.2不锈钢电焊条采用多层窄道焊。焊前焊条必须按焊条使用说明书进行烘干，放入保温筒随用随取。除第一层和盖面层焊道外，其余焊层应用风铲进行锤击，以释放焊接应力。
        4.2焊接工艺与叶片修复上同
        （5）焊后热处理
        5.1焊后进行消氢热处理温度350℃，恒温0.5h，通过
        在焊接区域的加热，将焊接电流产生的少量氢气排除，残留氢气会引起金属脆性增加称为氢脆，消氢就是消除氢脆。
        5.2每片区域处理后用氧气乙炔加热至350℃，用石棉布覆盖保温。
        （6）铲磨
        6.1铲磨分粗磨和精磨，要求打磨焊接区域与未修复区域光光滑过度，用挠性尺寸检查。
        6.2每片区域粗磨后，探伤检查合格进行精磨，其波浪度和粗糙度按国家标准执行。
        6.3铲磨后对焊接区域进行UT+PT（超声波+着色）探伤，探伤标准：按ASME执行。
        （7）精加工
        7.1检查转轮上平面和止口，如止口超差，需堆焊止口并按记录车修转轮止口。
        7.2补焊上冠和下环缺陷，按照设计图纸尺寸精车转轮止漏环部件。
        7.3 按ASME标准对转轮所有焊接区域进行PT和UT探伤。
        7.4 转轮静平衡试验。
        （8）检查与验收
        8.1 转轮修复后提供转轮修复前后的尺寸记录。
        8.2 叶片开口检查，与修复前对比开口变化小于1mm。
        8.3 铲磨后的波浪度和粗糙度检查，按国标进行。
        8.4 提供完整的UT+PT探伤报告。
        8.5 提供转轮静平衡试验标准。
       六、结语
        以上转轮裂纹缺陷在厂家和相关水动专家的指导和我们协力下，通过对转轮叶片的工艺性修复、机组并经过1年的满负荷运行，于2020年7月停机对修复后的转轮进行全面检查探伤，经检查无一切金属裂纹和疲劳现象，转轮状态优良，达到设计预期，修复成功。
【参考文献】
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