水輪機葉片裂紋的原因分析

水輪機葉片裂紋的原因分析

萬家寨水庫安裝了6臺斗式式水輪發(fā)電，總?cè)萘繛?80mw。其中1～4號水輪機由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司制造；5～6號水輪機由上海希科水電設(shè)備有限公司制造；6臺發(fā)電機均由哈爾濱電機有限責任公司制造。水輪機基本參數(shù)：1～4號水輪機為HLFN235-LJ-610；額定功率183.7MW；額定轉(zhuǎn)速100r蛐min；飛逸轉(zhuǎn)速210r蛐min；額定流量290.7m3蛐s；額定水頭68m；最大水頭80m；最小水頭50m；固定導(dǎo)葉數(shù)24；活動導(dǎo)葉數(shù)24；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)13。5～6號水輪機為HLS217-LJ-585；容量、轉(zhuǎn)數(shù)、水頭、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與1～4號水輪機相同；額定流量為293.91m3蛐s，固定導(dǎo)葉19個，活動導(dǎo)葉20個。萬家寨機組從1998年11月28日1號機組發(fā)電到2000年12月15日最后1臺機組發(fā)電至2002年8月25日6臺機組共運行了52231h,2002年4月發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片有裂紋，裂紋的產(chǎn)生對機組的安全運行構(gòu)成了威脅，引起了各方的廣泛關(guān)注。1葉片裂紋種類從葉片裂紋的外貌看，裂紋是很有規(guī)律的，1～4號機水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分布、數(shù)量、和長度的統(tǒng)計見表1。從葉片裂紋表面形態(tài)可分為A、B、C、D4種形式。(1)A類裂紋。1～3號機葉片上部和4號機中的2只葉片上部，從出水邊開始沿上冠和葉片交接處的焊縫向葉片母材方向延伸均為A類裂紋。此類裂紋數(shù)量最多且最長（見圖1）。為分析和解決轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋問題，在2號機葉片裂紋處分別取了試樣。從試樣可以清楚看出，裂紋源的部位在葉片背面出水邊，距出水邊25～150mm，在焊縫下面距溶合線5～30mm處。從試樣的表面宏觀可見呈貝殼狀條紋一層層擴展推進的前延線，是典型的疲勞斷裂。(2)B類裂紋。B類裂紋都發(fā)生在上冠和轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的三角部位的焊縫上，裂紋短，一般為0～70mm（從出水邊開始），并有向上延伸的趨勢（例如有5條裂紋的終點都到達上冠）。B類裂紋雖然短，但都是穿透性的（見圖2）。(3)C、D類裂紋。此兩類裂紋沒有擴散，裂紋源很直觀，C類發(fā)生在葉片出水邊緣和下環(huán)相交處三角地帶的焊縫處。D類裂紋源發(fā)生在葉片出水邊三角塊處的焊縫處。2裂縫形成的原因2.1等距原理2.1.1號機檢修中微裂紋的發(fā)生原因分析在1～3號機轉(zhuǎn)輪葉片的檢查中我們發(fā)現(xiàn)，雖然主要的空蝕區(qū)和裂紋源都發(fā)生在出水邊上冠和葉片相交處，但是空蝕并沒有引發(fā)裂紋。這可以說明兩點：(1)裂紋源并沒有發(fā)生在空蝕坑上。(2)裂紋沒有橫穿空蝕坑或空蝕密集區(qū)。由于葉片是鑄件，對葉片檢查時，其鑄造質(zhì)量是一個重點，但是鑄造的缺陷并沒有引發(fā)裂紋，例如；1號機在L號葉片上原有2個鑄造氣孔，相距40mm，葉片產(chǎn)生裂紋后，我們將二個氣孔刨開，發(fā)現(xiàn)氣孔并沒有引發(fā)裂紋，其他機組轉(zhuǎn)輪上的鑄造缺陷我們也沒有發(fā)現(xiàn)引發(fā)裂紋的跡象。由于1號機的裂紋都發(fā)生在焊縫的熱影響區(qū)，我們曾把注意力集中在焊接質(zhì)量上，但是在2號機取樣的金相分析中，并沒有發(fā)現(xiàn)晶粒粗大等焊接缺陷，所以說A類裂紋并不是焊接質(zhì)量引起的。為了查明裂紋產(chǎn)生原因，在2號機檢修時，我們分別從1只轉(zhuǎn)輪葉片上取2塊試樣，并分送2個較有權(quán)威的檢測機構(gòu)進行分析。分析測試報告分別為：(1)可以看出起裂表層存在的枝晶間裂紋，是葉片疲勞裂紋的萌生位置；(2)將葉片斷口試樣放入電子顯微鏡下（型號S570）進行葉片斷口的微觀分析，發(fā)現(xiàn)在葉片產(chǎn)生疲勞裂紋之前，在疲勞裂紋源區(qū)附近曾掉了一小塊金屬，在豁口處發(fā)現(xiàn)了和葉片機體成分相同的夾雜物?？梢姡瑑煞輬蟾嬖凇叭~片產(chǎn)生疲勞裂紋之前，起裂表層存在微裂紋（豁口），并引發(fā)疲勞裂紋的產(chǎn)生”，這一點上是一致的。在1、3號機上我們沒有取試樣分析，但是除裂紋特征一樣這一點外，有一些裂紋可更進一步說明葉片產(chǎn)生疲勞裂紋之前表層存在微裂紋。所以，筆者認為微裂紋極有可能是在焊接工藝基本都完成后，最后手工打磨時形成的，其理由如下：(1）所有的A類裂紋的起源點都是在轉(zhuǎn)輪葉片表層，呈淺細、個別有分叉。(2）由于葉片材料是馬氏體不銹鋼又是手工打磨，容易產(chǎn)生磨削量過大、砂輪不平衡等磨削工藝不當?shù)默F(xiàn)象，從而引起葉片表層局部溫度瞬時升高，隨后又被快速空冷，容易引起局部較大的綜合應(yīng)力和淬火、回火，造成拉應(yīng)力變大和迭加，導(dǎo)致磨裂。(3）裂紋和磨削痕跡相垂直，是磨削裂紋的獨有特征。(4)3號機葉片加工打磨后，發(fā)現(xiàn)有微裂紋，進行了處理，并且有微裂紋的葉片是相鄰的，這和發(fā)生裂紋葉片也大部分相鄰很相似。(5）由于結(jié)構(gòu)、焊接、等原因，轉(zhuǎn)輪上冠和轉(zhuǎn)輪葉片相交處葉片背面出水邊部位是轉(zhuǎn)輪葉片受力最大、空蝕破壞最嚴重、應(yīng)力最集中的部位。在20世紀70年代我國的有關(guān)科研人員就測定葉片與上冠的出水端處是葉片最大應(yīng)力點之一。這次我們又請有關(guān)科研單位進行了測試，進一步證明了這一點。所以，上述部位也是打磨時最容易出現(xiàn)微裂紋的部位。2.1.2低負荷區(qū)共振的特性裂紋有了裂紋源后還要形成、擴大。根據(jù)有關(guān)科研院校的研究、試驗和計算及運行的實際我們總結(jié)了以下幾點：(1）尾水管中渦帶引起的振動。機組在低負荷時有一個振動區(qū)間，在一定的頻率下還將產(chǎn)生共振（即水輪機低負荷區(qū)高強度、寬頻帶水壓脈動，與轉(zhuǎn)輪葉片若干階自振頻率，特別是低階形成共振）。(2）卡門渦列引起的共振。尤其是在高水頭下（運行水頭在76～77m以上）9～13萬kW負荷區(qū)間運行時其振動是非常明顯的。(1)清華大學(xué)的研究和計算表明，萬家寨電站機組的頻率在41～100Hz之間，均在目前實測振動數(shù)據(jù)頻域能量分布的幾個峰值區(qū)內(nèi)；(2)裂紋產(chǎn)生的部位，目前的研究表明，卡門渦列引起的共振使轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生的裂紋幾乎都在轉(zhuǎn)輪上冠和葉片相交處的出水邊上。根據(jù)以上分析可得出：A類裂紋是由焊接加工后的工序———打磨引起的裂紋源，經(jīng)過渦帶和卡門渦列引起的振動（包括共振）造成的強振動，使裂紋擴展。2.2抗磨涂層的產(chǎn)生和受破壞部分的涂層厚度和厚度對其作用的影響從表1可以看出，4號機運行的小時數(shù)最短，但它的裂紋長度并不短，并且每個葉片上都有裂紋。1號機沒有涂層，它的運行時間最長，但它的裂紋不是最多的，也不是最長的。1～4號機的轉(zhuǎn)輪葉片都是出自一張圖紙，同一廠家；其主要的不同點是涂層不同，1號機沒有涂層，2～3號機的涂層是軟涂層，并在3～6個月內(nèi)被水沖光，4號機是環(huán)氧復(fù)合涂層，運行5577h后，涂層部分保留。單純從涂層的質(zhì)量來講，4號機好于3號機，3號機又好于2號機，但是4號機轉(zhuǎn)輪葉片涂層損壞的一個重要部位是葉片出水邊和上冠相交處，4號機的裂紋又都是在這里產(chǎn)生（見圖2）；轉(zhuǎn)輪強度特性仿真計算結(jié)果也表明該處為應(yīng)力集中區(qū)域，但裂紋產(chǎn)生是疲勞破壞，為動載荷的作用結(jié)果。2002年8月檢查焊接裂紋時，將4號機轉(zhuǎn)輪葉片和上冠相交處的涂層全部剝掉，至2003年7月，4號機又運行了3047h，停機檢查轉(zhuǎn)輪葉片除1條30mm焊接裂紋外，沒有發(fā)現(xiàn)其他裂紋。清華大學(xué)等單位的研究表明，卡門渦列和葉片的固有頻率引起的共振是萬家寨電站轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的一個重要因素。那么，是否可以說葉片出水邊靠近上冠處涂層的不同程度損壞增大了卡門渦列引起共振的頻率范圍，使共振增加、增大呢？在2～4號機活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片涂層損壞后的邊緣處母材上都有漩渦狀的沖擊痕跡，有的深度達幾毫米，并且此處的空蝕也較其他部位嚴重。這里有一個條件是涂層要有足夠的厚度，2～4號機的涂層的厚度約2mm,5～6號機的涂層厚度是0.2mm左右。5、6號機涂層也有被破壞的，但是其被破壞處的母材處并沒有4號機出水邊和上冠相交處出現(xiàn)破壞，也沒有引起裂紋。其原因是圖層很?。ó斎?，這與葉片根部加了三角塊使其本身的應(yīng)力變小有關(guān)）?？梢姡D(zhuǎn)輪葉片出水邊和轉(zhuǎn)輪上冠相交處是應(yīng)力較集中的部位，也是水壓力脈動比較強烈的位置，此部位的涂層很容易被破壞，被破壞后又助長空蝕和裂紋的發(fā)生和發(fā)展；并隨出水邊厚度的增加呈上升的趨勢。根據(jù)以上分析：由于涂層在轉(zhuǎn)輪葉片和轉(zhuǎn)輪上冠出水邊處被破壞，客觀上增加了轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的厚度，從而使產(chǎn)生渦列的因素大大增加。這是造成B類裂紋的直接原因。為了防止水輪機的磨蝕，現(xiàn)在有很多人都在研究抗磨涂層，但是成功的還不是很多。好的涂層不但可以防止磨蝕，也可以阻遏裂紋的發(fā)生和發(fā)展。但是涂層被破壞后，如果得不到及時的修補，它的作用往往相反，對設(shè)備的破壞性很大。這點應(yīng)引起我們的重視。2.3焊縫上有裂紋從我們的現(xiàn)場觀察，C、D