关键词　转轮　裂纹　原因　处理　岩滩水电站　李家峡水电站
摘　要　岩滩水电站和李家峡水电站在机组运行半年至两年的时间内，几台机组的水轮机相继出现了转轮叶片与上冠间焊缝和叶片与下环间焊缝的开裂。造成或引发转轮裂纹的原因很多，但主要是制造和运行方面的原因，如铸造及焊接质量、焊后热处理未能消除较大的内应力、运行时机组的振动等。笔者提出了根据各电站不同情况避开不利水头、避开机组振动区运行、增大尾水补气强度等措施，并介绍了这两个电站转轮裂纹的处理办法，可供有关人员参考。

1　两电站水轮机转轮裂纹情况概述
　　岩滩水电站装机4台，总容量1 210 MW，单机水轮机额定出力307.1 MW，水轮机最大水头68.5 m，额定水头59.4 m，最小水头37.0 m，额定流量580 m³／s，额定转速75 r/min，转轮名义直径D₁=8.0 m，转轮分半面偏心160 mm，居世界偏心分半转轮之首。转轮叶片和下环用ZGOCr13 Ni 5 Mo不锈钢铸造而成，上冠用ZG20 SiMn制造，转轮共有13个叶片，水轮机型号为HL286 a-LJ-800。1、2、3、4号机组分别于1992年9月、1993年8月、1994年6月和1995年6月投入运行。1号机运行一年没有发现转轮裂纹和空蚀；2号机运行10 700多h后发现13个叶片有8个叶片有裂纹，13号叶片裂纹最长达785 mm(见图1)；3号机运行5 300 h后发现裂纹，其中13号叶片最长裂纹125 mm，13个叶片中有6个叶片有裂纹，裂纹全部是叶片出口边与下环连接处的焊缝开裂。

图1　岩滩水电站2号机13号叶片焊缝开裂示意

　　李家峡水电站装机2 000 MW，单机水轮机额定出力408.2 MW，最大水头135.6 m，额定水头122.0 m，最小水头114.5 m，设计流量369.8 m³／s，额定转速125 r/min，转轮名义直径6.03 m，转轮分半面不偏心，是目前国产单机容量最大的转轮。转轮下环材质为ZGOCr13Ni4Mo，叶片材质为ZGOCr13Ni6Mo，上冠为ZG20SiMn铸成。1号机1997年2月投入运行，2号机1997年11月投入运行，3号机1998年5月投入运行。电站初期运行水头只有94～97 m左右。1号机运行18个月发现13个叶片有16条裂纹，其中5号叶片与上冠之间裂纹最长达710 mm(如图2)；8号页片与下环之间最长裂纹长达420 mm(如图3)。2号机运行8个多月发现13个叶片有14条裂纹，其中11号叶片与下环的裂纹最长达270 mm(与3号机8号叶片位置基本一样)；7号叶片与上冠间裂纹最长达180 mm(与3号机5号叶片位置基本一样)。3号机运行3个多月也发现3条较小裂纹。根据资料分析，造成转轮裂纹的原因与制造、运行水头、运行负荷、补气状况均有关系。

图2　李家峡水电站1号机5号叶片焊缝开裂示意

图3　李家峡水电站1号机8号叶片焊缝开裂示意

2　裂纹产生的原因及预防措施
2.1　裂纹产生的原因
　　(1) 从岩滩和李家峡水电站水轮机转轮的裂纹部位来看，均发生在运行应力较高的下环与叶片出口和上冠与叶片出口连接焊缝处，因此焊缝处的裂纹与运行有关。
　　(2) 岩滩电站1号机在50 m水头以下运行1 a左右没有发现裂纹，而当机组运行水头提高到60 m以上时，机组出现激烈振动，在65 m水头时，当导叶开度α=40%～45%和α=70%～80%时，存在两个运行振动区，振动区的范围较宽，运行难以避开，3号机运行10个月即发现裂纹，因此岩滩水电站转轮裂纹与机组在高水头下运行产生振动有关。李家峡电站设计水头为122.0 m，最低水头114.5 m，而1～3号机投运时水头只有95 m左右，单机容量400 MW的机组因承担网局的调峰任务，单机负荷经常只有0～100 MW，机组长期在低水头，低负荷工况下运行。从李家峡机组试运行的情况看，水头在95 m左右，负荷在0～120 MW均属振动区，因此李家峡转轮裂纹与低水头下、低负荷运行工况有关。
　　(3) 岩滩机组在66.9 m水头时做补气试验，中心孔能自然补气时，尾水管振动较小，而中心孔不补气时，尾水压力脉动大，尾水管振动也大。李家峡机组在95 m左右水头下，负荷0～120 MW时轴中心孔补气量较大，机组振动也大，负荷在120 MW以上较为稳定，李家峡水电站采用有真空度的自然补气，补气阀相当于真空破坏阀，负荷在0～120 MW范围内补气时，尾水管内的真空度比120 MW以上的不补气时真空度要大得多，因此尾水管内存在真空是机组振动的一个重要原因。
　　(4) 岩滩4号机尾水管里衬上安装了稳流片，在安装稳流片与不安装稳流片的机组做比较中发现，装稳流片的机组尾水涡流引起的尾水压力脉动明显减小，机组振动也小，但机组的出力也相对减少2%～3%左右，因此虽然安装稳流片可减小机组振动，对转轮运行有好处，但对机组出力也影响不小。
　　(5) 从李家峡电站转轮与岩滩电站转轮开裂的裂纹看，都存在错牙，说明转轮内部都存在较大的内应力，但两个转轮的制造厂家在转轮整体焊接完成后都经过了整体热处理，显然热处理并没有较好地消除内应力，因此热处理对不锈钢焊缝内应力消除的作用有待进一步研讨。
　　(6) 在李家峡和岩滩转轮开裂缝断面处均可发现气孔、夹渣和没熔合等缺陷，这说明在转轮焊接时，焊接措施的制定、对焊条的保管处理、焊接时和焊后的检查，都还存在一些问题。
　　(7) 李家峡转轮的裂纹，在叶片与上冠间、叶片与下环间均有，由于上冠处叶片与叶片间间隙较小，用手工焊施焊困难，出厂的转轮叶片与下环、叶片与上冠间的过渡R角较小，没有达到图纸要求的R值，因此容易在运行时产生较大的应力集中。
2.2　预防措施
　　综上所述，笔者认为，李家峡转轮与岩滩转轮的裂纹有共性，也有各自的特点，转轮裂纹在制造方面的原因主要是转轮铸造的疏松和厂内施焊时缺乏质量意识，焊接部位出厂时本身就具有隐蔽缺陷，包括焊后的热处理也没有较好地消除焊缝处存在的内应力；在运行方面的原因对岩滩水电站是因在高水头运行时，转轮前、导叶后水体产生的剧烈振动和尾水管内补气不足及涡带而产生的尾水压力脉动过大，因而引起机组振动，使转轮叶片产生交变应力所致。要想使转轮长期无故障运行，需要采取以下措施：①避开高水头运行；②避开机组振动区运行；③增大尾水补气强度或在尾水里衬加装稳流片。
　　对李家峡电站则是因为机组长期处在低水头、低负荷工况运行避不开振动区所致，对机组的使用寿命影响很大，因此运行部门应提请网调调整运行负荷，保证李家峡机组在低水头时能大负荷运行，以避开振动区。

3　转轮裂纹的处理
　　(1) 转轮裂纹处的清理采用碳弧气刨，把裂纹处刨开，对穿透性裂纹按K形清理两边(如图4)，清理后认真检查，确保所有裂纹部分全部清除。

图4　转轮焊缝开裂处理修磨坡口示意

　　(2) 用角向磨光机和砂轮机对碳弧气刨清理过的表面进行打磨，清除气刨时产生的渗碳层。
　　(3) 焊前用远红外加热片加热补焊处，使施焊处温度达90～120℃，加热片不好布置的地方可用氧乙炔烤枪加热，但应注意加热温升要均匀，以免施焊部位造成淬火或退火。
　　(4) 　施焊用A237不锈钢焊条，施焊焊条要在烘干箱内烘干至350～400℃并保温1 h，用保温桶保存，边用边取，以免返潮。
　　(5) 施焊时层间温度控制在204℃以内，除面层外，施焊采用多层多边镶边焊(如图5)，焊条摆幅宽度≤3倍的焊条直径。

图5　转轮焊缝开裂处理焊接顺序示意

　　(6) 施焊电流按表1控制，根据施焊位置的不同来调节电流。

表1　施焊电流

作者单位：中国水利水电第四工程局，兰州，730060