水轮机转轮叶片裂纹分析及处理

分 组焊 而成 ， 材质 为０ ｒ３ ｉＭｏ ＣｌＮ６
２０ 年 １月２ ０ ５ 号机 组大 修 后期 发 现 ， １ ６号转轮 叶
片背部 与 上冠 焊缝 处有 一 长约 ２ ０ｍｍ的裂纹 （ 于 ４ 位
转 轮分瓣 面填补 焊块 处 ）在 处理 阶段 钻止 裂孑 时发 。 Ｌ 现 裂 纹 继续 扩展 ， 纹处 理 长 度 达７ ０１ｎ（ 片全 裂 ０ ｌｌ叶 Ｙ＇
接 术 交 流 与 应 用
Ｓ ＵＪＡ ｉ ＵＹＮＧ Ｙ ＮＧ Ｈ ｔＯ Ｌｔ Ｙ Ｉ Ｏ ｊ
表 １２ ～ 中数 据 可 以看 出 ，测 试 水 头 下 机 组 以 １０ＭＷ负荷 为界 限 ，在 １０ＭＷ负荷 以下 的水导摆 ２ ２ 度较 １０Ｍ ２ Ｗ负荷 以上大００ 尤其 在４ ～ ０Ｍ ．９ｍｍ， ０ ６ Ｗ
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（ 安康 水 力发 电厂 ， 西 安康 陕 ７ ５０ ） ２ ０ ０
损 探伤 检查 ， 对及 时处 理缺 陷 、 消除事 故 隐患十 分必
１ 概 述
安康水 电厂 位 于汉 江上游 ，安 装有 ４ ０ 台２ ０ＭＷ 水 轮 发 电 机 组 ， 轮 机 型 号 为 ＨＩ ２ —３— ５ 。 为 水 ０ １ ５０ ２ 保 证 下 游 航 运 流 量 ，在 下 游 右 岸 排 沙 洞 还 装 有 １
铸 造气孔 、 眼 等在外 部 应 力 的作用 下可 能会 砂 成为裂 纹 源 ， 成裂 纹 的产生 。由于 转轮 叶 片与 上 造
４ 裂 纹处 理
裂纹 处理依 据 （ ＬＴ６ ８ １９ 电站 钢结构 焊 （ ／ ７— ９ ９ Ｄ
接 通用 技 术 条件 》 Ｄ ５ ７ － １ ９ 水 轮机 金 属 和《 ０ ０ ９ ７

混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施混流式水轮机转轮裂纹原因分析及预防措施水轮机转轮，特别是中、高比速混流式水轮机转轮中的裂纹现象，在世界各地普遍存在。

国外的例子有埃及的阿斯旺高坝、美国的大古力700 MW机，俄罗斯的布拉茨克等。

国内有岩滩、李家峡、小浪底、五强溪、二滩等大型水电站，在投运后水轮机转轮都不同程度的浮现了裂纹。

转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益，引起人们的极大关注。

1转轮裂纹的产生原因转轮为什么会产生裂纹，人们对此做过许多研究，不时地提出一些假设。

笔者把转轮裂纹分为规律性裂纹和非规律性裂纹两类。

规律性裂纹是指不同叶片上的裂纹具有大体一致的规律，所有叶片都开裂，裂纹的部位和走向也大致相同。

非规律性裂纹或者只在个别叶片上发生，或者不同叶片上裂纹的部位、走向和其他特征各不相同。

其产生的普通原因分述如下。

1.1规律性裂纹失效分析结果表明-绝大多数规律性裂纹是疲劳裂纹，断口呈现明显的贝壳纹。

叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷，而交变载荷又由转轮的水力自激振动引起，这可能是卡门涡列、水力弹性振动或者水压力脉动所诱发。

1.1.1卡门涡列(1)黄坛口水电站1958年投运的4台HL310-LJ-230水轮机，运行不久转轮叶片出水边根部即发生总计67条裂纹。

后来查明，在某些水头下，当机组出力在5～8 MW时，叶片出水边卡门涡列频率与叶片自振频率耦合而引起共振，动应力急剧增加，使叶片疲劳开裂。

采取修整叶片出水边厚度和形状，提高卡门涡列频率，避开了共振，转轮安全运行多年，再没有发生问题。

(2)小浪底水电站水头范围68～141 m,额定出力306 MW。

水轮机转轮上冠和下环为13.5不锈钢铸件，叶片由13.5不锈钢热模压后数控加工，再用309 L奥氏体不锈钢焊丝焊成整体。

由于是异种钢焊接，转轮焊后不进行消除应力处理。

为适应电站水头变幅大和多泥沙的运行条件，水轮机供应商采取了低比转速，小的出口直径(D 2／D 1＝0.88),较大的导叶相对高度(b 0／D 1＝0.236),肥大的叶片头部，较厚的叶片出水边(δ=38 mm),喷涂碳化钨和设置筒形阀等技术措施。

较 复 杂 ，其 强 度 的 理 论计
算 工作 量 很 大 ，用手 工计 算 的方 法 很 难 计算 ，随 着 计算 机 技 术 的 高速 发 展 ，
世界 过 对 各 种 工 况下 转 轮 强 度 的计 算 ，从
而 为 转轮 的设 计 奠 定 了 坚 实 的理 论 基 础 。 由于转 轮
图 ３ 混流式转轮焊接生产工艺流程
通过对伊 朗Ｋ Ｒ Ｎ １水 电站转轮 材质、设计计算书、焊接工艺文件等的研 Ａ Ｕ Ｉ Ｉ
究 ，通过计算 机计 算转轮强度和叶片应 力发现 ，在各种工况下 ，均能够满 足安全运
行需要 。同时转轮 叶片采用ｚＧ ６ １ ＮｉＭｏ ０ ｃｒ３ ５ 不锈钢材 料 ，具有 强度高 ，韧性 好 ，
０
。（ ／） ／ ｈ ｍ
图５实际流量压力曲线
八 、结 语
经过 理论 设计 计算 、静 态特性 分析 和性能 试验 结
果的对比 ，样机的压力调节指标达到 了研究技术指标 的
要求 。在模拟试验系统的试验表 明，燃气轮机在任意的
一
种工况下 ，调节阀均能够使燃机进 口处的压力稳定在
图４ 模拟试验 系统
纹 共２ 条 ） ，并 在 如 此短 ７
的 时 间 内 ，这 严 重 影 响 了 机 组 的安 全稳 定 运 行 。 为
了消 除 裂纹 带 来 的 影 响 ，
首 先应 该 对 裂 纹 产生 的原 因进行分析。
１ 在转轮设计 中 ．
水 轮 机 转 轮 是 机 组 的 核 心部 件 ，它 起 着将 水 的 势 能转 化 为 旋 转能 量 的重 要 角色 ，利 用水 轮 机 带 动 发 电机 ，使转 轮 的 旋 转 能 量 变 为 电 能 。在 转 轮 的 设 计 中 ，由 于混 流 式 转 轮 的 结 构 形 状和 受 力状 况 都 比

水电厂水轮机转轮叶片的裂纹处理及防控发表时间：2019-09-19T09:04:31.097Z 来源：《电力设备》2019年第8期作者：陈健[导读] 摘要：在本篇文章中主要将某水电厂中的水轮机组作为实例，在针对水轮机组展开日常检修时，利用超声波技术探测出转轮叶片上存有裂纹，深入分析水轮机组中转轮叶片出现裂纹的主要原因，进而针对裂纹提出科学、有效的处理方式与防控对策，旨在为相关人员提供微薄的参考依据。

（松花江水力发电有限公司吉林丰满发电厂 132108）摘要：在本篇文章中主要将某水电厂中的水轮机组作为实例，在针对水轮机组展开日常检修时，利用超声波技术探测出转轮叶片上存有裂纹，深入分析水轮机组中转轮叶片出现裂纹的主要原因，进而针对裂纹提出科学、有效的处理方式与防控对策，旨在为相关人员提供微薄的参考依据。

关键词：水电厂；水轮机转轮叶片；裂纹处理及防控在某水电厂中一共具备15台水轮机组，总容量约在63万kw左右平均每台机组的实际容量约为4.2万kw左右，整个水电厂属于较为综合的电厂，将灌溉、航运以及发电等集于一体。

其中出现裂纹问题的水轮机组型号是GZ932-WP-750，转轮的直径约为7.5m，额定流量约为492m³/s左右，在整个水轮机的转轮上共有四个叶片，材质为马氏体的不锈钢并通过真空的精密方法所制作。

在相关人员针对所有水轮机组展开日常检查时，通过超声波技术探测出所有机组中的三组都存有不同程度的裂纹，这些裂纹不仅会影响叶片的正常运行，还会对整个机组的实际运作造成直接影响。

一、水电厂水轮机转轮叶片出现裂纹的主要原因在日常检查中探测出水轮机组中的转轮叶片上存有裂纹状况后，某水电厂立即停止了水轮机组的运行，并针对裂纹出现的主要原因展开全面分析，最终发现导致叶片出现裂纹现象的主要原因有以下两方面：第一方面，如果水轮机组处于非最佳情况下或低水头情况下运行的话，就会导致水轮机组的工作状况差，在转轮的出口处水流会逐渐变成环流，这样在水管的尾部会形成旋状的涡带，这种涡带会随着水流而有所移动，如果移动到水管壁的话就会变成压力脉动，最终严重增加水轮机组的振动状况。

混流式水轮机转轮裂纹原因及预防措施的探讨【摘要】混流式水轮机转轮叶片裂纹故障严重影响了水电站的安全稳定运行和经济效益的发挥。

本文就混流式水轮机转轮裂纹原因及预防措施进行了探讨，结合了具体的工程实例，对机组运行情况和转轮裂纹现象作了详细的阐述，分析了产生的原因，并提出了相应有效的措施，以期能为预防混流式水轮机转轮措施裂纹而提供参考。

【关键词】混流式水轮机；转轮裂纹；原因；预防措施所谓的混流式水轮机，又称法兰西斯水轮机，水流从四周径向流入转轮，然后近似轴向流出转轮，转轮由上冠，下环和叶片组成。

其结构紧凑，效率较高，能适应很宽的水头范围，是目前世界各国广泛采用的水轮机型式之一。

但是，混流式水轮机转轮叶片若出现裂纹故障，将会严重影响水电站的安全稳定运行和经济效益的发挥，所以必须及时采取措施针对裂纹故障现象进行治理，以确保水电站的安全稳定运行。

1 概述某水电站第一台机组投运后的停机维护中就发现水轮机转轮叶片出现裂纹，在后续机组维护中同样发现了叶片裂纹。

某水电站首台机组投运至今已近15年，但是水轮机转轮裂纹频现的状况并未彻底消除，每年轮修中几乎都会发现裂纹，裂纹处理已成为每年机组检修中的主要工作。

1.1 机组运行情况目前已建成水电站中调节性能较好的特大型骨干电源，不仅每年向系统提供巨大的清洁电力能源，并在系统中承担调峰、调频、调压和事故备用等任务，在我省电网中发挥着重要的作用。

1.2 水轮机基本参数及结构特点水轮机额定功率为582MW，最大功率为612MW，公称直径6257mm，额定转速142.9r/min，额定水头165m。

转轮为全不锈钢分瓣铸焊结构，#1叶片和相对的#7叶片对称分剖，共13个叶片转轮上冠、叶片、下环的材质均为ASTMA743MGradeCA-6NM马氏体不锈钢。

转轮上冠把合方式为卡栓式结构。

与以往的螺栓把合结构相比，这种结构可以减薄上冠的壁厚，从而节省昂贵的不锈钢材料。

叶片采用数控机床加工，叶片最大厚度为188mm。

小浪底转轮叶片裂纹产生原因分析及处置办法胡宝玉张利新钟光华摘要小浪底水利枢纽几乎所有的发电机组转轮初期运行都出现裂纹，为此小浪底工程建管局组织了多次国内专家和制造厂商研讨会，最后得出疲劳破坏是引发小浪底转轮叶片裂纹的原因，由水流作用在转轮入口的水力弹性脉动与旋转轴系的固有频率(轴向和扭转)共振所形成的，叶片出口边卡门涡频率与转轮高阶自振频率一路作用的高变应力增进裂纹的快速进展。

采用在上冠出水边处加焊300mmX300mm的补强三角块修复裂纹，增加补气装置，修整出水边等处置办法来修复裂纹。

关键词小浪底水轮机转轮叶片裂纹小浪底水利枢纽是黄河上最后一级大型综合利用水利枢纽，其电站地下厂房内共装机6台，单机容量30万kW，总装机容量180万kW。

水轮机的型式为混流式，设计比转速ns为162.6m·kW，额定转速min，额定水头112m，额定流量296m3/s，最大水头141m，最小水头68m，额定出力万kW，最大出力万kW。

转轮直径D1为6.356m，转轮出口直径D2为5.6m，转轮出口相对直径D2/D1，为，小浪底机组的导叶高度b0为1.5m，b0/D1为，导叶散布圆直径D0为7.239m，D0/D1为，固定导叶和活动导叶之间装设有筒阀。

为了抗磨，水轮机设计中，取消了上冠减压装置，从而使水推力比常规设计增加约1万kN。

一、转轮裂纹及现象小浪底首台机组(6号机)于1999年12月27日开始并网发电，现在上游水位约205m，下游水位约134m，毛水头71m。

机组运行6个月，共运行1000多小时，于2000年5月28日停机小修。

小修期间，在6月3日发觉转轮的13个叶片出水边接近上冠处有11个叶片出现裂纹(后经着色探伤，肯定另两个叶片也有轻微裂纹)，裂纹长度 100～400mm不等，大部份为贯穿(端面)型裂纹，所有裂纹形状相似，起始点在叶片负压面与出水端面交线上，距上冠约50mm，裂纹起始端与叶片出水边垂直，后以不规则抛物线形向叶片中心延伸，其中有一个叶片同时出现沿焊缝方向的裂纹，裂纹尾端扩展为树枝状(见图1叶片裂纹及修补示用意)。

使水流环量大小和方 向发 生变 化 ， 在转 轮叶片 出水边 、 尾水管 内形成不稳定旋涡 。 当水流绕流 叶片 ， 由出 口边（ 圆形出水边） 出时 ， 流 便会 在 出 口边产生卡 门涡列 ， 涡交替 出现形成对叶 片 旋 侧向的交变力 ， 并形成有规则 的周期 性振动 ， 其 振动频率 与 叶片出 口边 的厚度 及流速有 一定 的关系 ，当 冲击频率与 叶片 自 频率相 同便产 振
这些 脉动压 力将引起叶 片的交变应力 。有资料 表明俄 罗斯 克拉斯诺雅尔斯克水 电站水 轮机转 轮 在非设 计 工况 下 ，动应力 达最 大 静应 力 的 １％。可见尾水管压 力脉动能 引起 一定幅值 的 ５ 交变应力 ，若这种激振频 率与叶片或下环 的固
有频率耦合 时 ， 必将诱 发更大的动应力 ， 造成 叶
片开裂。
３裂纹无损探伤检查 在大修时对转 轮进行无损探伤检查 ， 时 及
处理 缺陷 ， 消除事故 隐患是十分必要 的。 严重 的 和表面发现缺 陷的部位进行超声波探伤 。检验 裂纹 等缺 陷用 肉 眼和放 大镜 外 观检 查 即可 发 中发现 的裂纹等危险 陛缺陷应进行处理。 ４裂纹处理 现 ，但较细小 的缺 陷和内部的缺陷必须用无 损 探 伤检查。 常用的无 损检测方法有以下几种 ： 磁 ４ ． １阻止裂纹延伸 粉探伤 、 渗透探伤 、 超声波探 伤 、 金属磁记忆 、 射 通常裂纹的两端尾部 内应力接近材料 的极 线检测等。 裂纹易于产生的应力集 中部位 ， 叶 限强度 ， 如 在外力或热 应力的影响下还会继续延 必须在裂纹两 端打止裂孑 ， Ｌ孔径应不 片进水边正面 （ 压力分 布圃 靠近上冠处 、 叶片出 伸 。因此 ， ａ ｒ 水边 正面的 中部 、 出水边 背面靠近上冠 处 、 小于 ６ ｍ，裂纹清理过程 中如发现纹路有新 的 叶片 叶片与下环连接 区等部位 ，由于 透照布置 比较 的发展趋势应停 止清理 ， 加止裂孔 ， 再追 一般孔 困难 ， 不能用射线透照法进行无损探伤 。 根据水 深应 比裂纹深度大 ４ ６ ｍ －ｍ 。 轮机转轮叶片表 面比较粗糙 、结构复杂 和厚度 ４ ． ２裂纹清理及开坡 口 变化 大的特点 ， 一般应 采用渗 透 、 磁粉 、 超声 波 裂纹铲 除常用 两种方 法 ： 风铲和炭弧气刨。 和金属磁记 的方法进行无损检测。 风铲铲 除裂 纹所形成的坡 口较规则 ，易于保证 ３１超声波检测 ． 焊接 质量 ， 劳动强度 大 ， 但 速度 慢 ， 铲头 可根据 超声波探伤方法对裂纹 、 未熔合等 面积 型 裂纹 深度的不同而选用 ，坡 口要求规则平 滑并 缺陷 的检 出率 较高 ， 宜检验较大厚度 的工件 ， 用 ３％ 的硫酸或硝酸酒精清洗 ； 适 ０ 炭弧气刨 可对 但是对 于铸钢 、 氏体 不锈钢材 ， 奥 由于粗 大晶粒 较深 的裂纹 进行多次吹割 ， 这种方法操作 简便 ， 的晶界会反射声 波 ， 幕上出现大量 的“ 在屏 草状 速度快 ， 口内往往 有渗碳层 ， 但坡 要用异型砂轮 回波” 容易 与缺陷波混 淆 ，影响检测可 靠性 ， 磨削 。 ， 为了防止过热 引起变形 和裂纹扩展 ， 炭弧 限制 了超声波 探伤方法在铸钢制水轮机 转子叶 气刨 必须间断使用 。坡 口的形式应遵守焊 接工 片上无损检测 的应用 。 探测频率越高 ， 杂波就越 艺的一般要求 ，主要 根据裂纹情况 、 部位 和铲 显著 ， 为了减小 晶界反 射波的影响 ， 我们采用 了 除及施 焊方 便而定。裂纹清除后应进行着 色探 低频探头（５ ｚ ２ ＭＨ） ． ￣ 转子进行超声 波探伤 ， 伤 以确认裂纹是否全部清除干净 。 发现反射信 号以后再用高 频探头（ ｚ Ｓ ） 定 ＭＨ 进行 ４ ． ３补焊工艺 量 ， 证明这是可行 的。 实践 铸钢件超声波探伤衰 叶片补焊可采用 两种 方法 ， 是同种材料 一 减很大 ， 探伤时 只有满 足以下条件才 能检 测 ， 则 热焊 ， 方法工艺较 复杂 ， 这种 要进行焊前 预热 和 底波与林状 回波至少应有 ３ 分贝差。 Ｏ 焊后 热处理 ， 接条件较恶劣 ， 焊 但是 由于补 焊焊 ３ ２渗透探 伤 缝 的填充材料和被补焊母材基本一 致 ， 因此 ， 在 渗透探伤方法简单易行 ， 直观 ， 于 使用 过程中出现问题 的可能性较小 ；另一 种是 显示 适合 大型和不规则 工件 的检查和现场检修检 查。但 奥氏体焊条进行冷焊 。 冷补焊 工艺简单 ， 生产周 是 ，渗透探伤方法是利用 渗透能力强的彩色 渗 期短 。 补焊焊接过程 中不发生相变 ， 冷 且焊缝的 透液渗入到裂纹 等缺陷的缝隙 中，再利用 吸附 塑性较 好。因此 ， 案可不预热 ， 该方 简化 了补焊 能力强 的白色显像 剂 ， 渗透液吸 出来 以显示 工艺 ， 了铸 钢件受到大的热作用 ， 将 避免 从而减小 缺陷的 ，因此 ， 只能检查表面开 口的缺陷。 了被 焊件的应 力和变形 。奥 氏体焊条冷焊 工艺 ３ － ３磁粉探 伤 简单 ， 但是补焊 金属强度低于母材 ， 由于不预 且 磁粉探伤方法是利用工件磁化后 ， 在材料 热冷焊 ， 区的冷却 速度较大 ， 近缝 不可避免在补 中的不连续部位（ 包括缺陷造成 的不连续 性和结 焊 的近缝 区产生淬硬组织 ，给补焊接头 的性能 构、 形状 、 等原 因造成 的不 连续性） 材质 ， 磁力 线 带来不利影响 。 会发生畸变 ，部分磁 力线有可能逸 出材料表 面 ４ ． 冷焊工艺 ．１ ３ 形成漏磁场 ， 这时在工件上撒上 磁粉 ， 漏磁场 就 裂纹确认清除 干净 、 开坡 口 ， 后 按下列顺序 会 吸附磁粉 ， 形成与缺 陷形状 相近的磁粉堆 积 ， 进行补焊 ： 从而显示缺陷。 因此 ， 粉探伤适 用于铁磁材料 磁 ａ 补焊 区域进行 预热 ， ） 对 预热温度 为 １０ ０ 探伤 ， 可以检出表面和 近表面缺陷 ， 但是有些部 １０Ｃ ， ｑ 对挖补 区域可采用局部 加热 ， ５ 可用履带 位由于难以磁 化而无 法探 伤。 加热器进行 加热 ， 履带加热器 ， 若无 也可用 乙炔 综 上 所述 ，为 了保 证水 电机 组 的安 全运 焰在坡 口处来 回移动加热。 行 ， 到各种探伤 的优 点和局限性 ， 考虑 水轮机转 ｂ Ａ３７ ） ． 焊条进 行补焊 ， 用 ０ �

51第42卷 第2期2019年2月Vol.42 No.2Feb.2019水 电 站 机 电 技 术Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station1 引言随着我国经济的不断发展，资源消耗的速度也在不断的加快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。

转轮是抽水蓄能电站水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，水轮机转轮作为水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。

转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。

采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

本文介绍了黑麋峰抽水蓄能电站3号、4号机转轮在检修中发现的裂纹，其特征以及修复工艺控制，综合分析裂纹成因，根本清除裂纹隐患，结合厂家建议，提出电厂在机组运行方式以及维护检修方面预防转轮裂纹事故的参考建议。

2 转轮裂纹成因分析转轮裂纹通常是在多个因素（比如交变外载荷、机组运行时的振动、结构存在薄弱环节、工程制造过程中的缺陷等）的综合作用下产生，以下对黑麋峰电站转轮裂纹成因从水力设计、结构强度计算及材料选择、制造工艺及控制流程等方面进行分析说明。

2.1 黑麋峰电站机组转轮参数黑麋峰电站水泵水轮机（HLNTP-LJ-504）转轮为单级、立轴、混流可逆式转轮，叶片整体铸造、数控加工。

转轮上冠、叶片和下环组合焊接。

3号机和4号机的水泵水轮机上冠、叶片、下环材质均为铸造马氏体不锈钢制造，材料类型为ZG0Cr13Ni4Mo （对应美标ASTM A743 CA6NM ），为保证制造（包括焊接、打磨）操作空间，转轮下环分内环、外环，转轮两次装焊、焊后整体退火。

例析水电站转轮叶片裂纹的处理艺0 緒论×××水电站位于四川省石棉县境内的松林河干流上，电站安装有3台单机容量43MW的立式混流式水轮发电机组，总装机129MW，单机额定流量为26m3/s 转轮型号为HLD307C，直径2050mm，转轮为铸焊结构，上冠、下环及15个叶片单独加工后组焊为一体。

上冠、下环及和叶片材料均为ZG06Cr13Ni6Mo。

首台机组于2007年6月投入商业运行。

×××三台机组在投运后转轮不同程度地都出现裂纹，最为严重的是2011年7月中旬，1#水轮发电机组在在运行过程中转轮叶片出现掉块，水导摆度突然增大，导致水力不平衡，水轮机转轮叶片裂纹的频繁产生，对机组安全运行构成很大威胁，也给电厂带来极大的经济损失。

因此，分析裂纹产生原因，并对易产生裂纹部位进行无损探伤检查，对及时处理缺陷，消除事故隐患是十分必要的。

1 裂纹产生原因分析1.1 铸造缺陷及焊接缺陷铸造气孔、铸造砂眼等在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。

由于转轮叶片与上冠、下环的厚度相差大，在冷却过程中易产生缩孔、疏松等。

铸焊结构的转轮，若焊接工艺不当或焊工没有按照焊接工艺的要求进行焊接，在焊缝及热影响区也会出现气蚀和裂纹（如图1、图2）。

（图1：转轮叶片出水边穿透性裂纹及气蚀）（图2 转轮叶片出水边掉块）1.2 应力集中转轮在水压力及离心力的作用下，大应力区主要分布在转轮叶片周边上，按第三强度理论计算得出，转轮叶片存在四个高应力区，他们的位置在叶片进水边正面（压力分布面）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；叶片与下环连接区内（如图1、2）。

1.3 运行原因由于汛期、枯水期发电量和电价系数等问题，电站要考虑最优经济效益，导致机组在低负荷或震动区运行，会使叶片在交变应力作用下产生裂纹或裂纹情况加剧。

2 裂纹处理2.1 阻止裂纹延伸通常裂纹的两端尾部内应力接近材料的极限强度，在外力或热应力的影响下还会继续延伸。

混流式机组转轮裂纹原因分析及解决办法摘要：转轮是水电厂混流式水轮机设备的核心部件，作为能量转换站，其性能对混流式水轮机的性能有着决定性的影响。

由于各方面的原因，混流式水轮机转轮通常会出现不同程度的破坏，从而对混流式水轮机的运行及水电厂的生产造成严重的影响。

相关人员应不定期地对混流式水轮机机组进行检查，及时发现混流式水轮机转轮存在的问题，并积极采取维修措施。

在进行焊接补焊时，应严格按照操作规范，采取正确的焊接工艺进行，从而提高焊接质量，确保混流式水轮机的正常、安全运行。

关键词：混流式水轮机；裂纹原因；措施随着我国经济的不断发展，资源消耗的速度也在不断的加快，水电站的发展越来越普及，成为了社会主义建设中不可或缺的重要组成。

转轮是抽水蓄能电站混流式水轮机中的核心部件，在实际的运行过程中，由于机组发电和抽水工况频繁正转和反转，运行工况复杂，混流式水轮机转轮作为混流式水轮机重要受力结构部件，该区域在机组运行中容易发生裂纹，近些年混流式水轮机转轮出现多起裂纹问题，使机组被迫停役。

转轮裂纹的出现，不仅为机组的安全稳定运行带来了极大的威胁，为抽蓄电站的正常经营带来了经济损失和社会损失，所以要想确保水电站安全稳定运行，必须通过无损检测技术对混流式水轮机转轮定期探伤，及时发现并有效处理转轮裂纹问题。

采取有效的预防控制措施，确保机组运行安全性和稳定性。

一、概述转轮是各种类型水轮机正常运行不可缺少的核心部件，其主要功能就是将水能转换为机械能。

而且转轮也在一定程度上直接决定着水轮机的过流能力强弱、水力效率高低、运转工况的稳定与否以及汽蚀性能是否良好的关键因素。

在实际操作中，转轮的各个部分设计和制造必须要充分满足水力设计的型线要求，必须要具有高强度且具备较强的抗汽蚀的能力以及耐磨损的性能。

根据水轮机转轮所转换水流能量的形式不同，可以将水轮机分为反击式和冲击式水轮机两大类。

将水流的位能、压能和动能转换成固体机械能的水轮机称为反击式水轮机。

运行与维护102丨电力系统装备 2020.20Operation And Maintenance电力系统装备Electric Power System Equipment2020年第20期2020 No.201 水轮机转轮产生裂纹的危害1.1 威胁水电站的安全转轮结构的稳定运行对水力发电效率与质量的保障有着很大影响，也是保障水轮机安全运转的关键因素。

如果转轮在运行中出现裂纹情况，如果相关人员没有对其进行及时的处理，那么就会给水力系统的安全造成威胁，同时还会间接影响水电站内人员的人身安全。

因此需要管理及维护人员能够及时针对裂纹产生原因，进行及时妥善的处理。

1.2 降低发电效率与质量转轮出现细小的裂纹情况，还会给水轮机的发电效率与质量造成一定影响。

当裂纹出现后，水电站需要投入部分精力与时间用在转轮的维修及管理方面，不仅会给水力系统的正常运行带来一定阻碍，还会降低电能质量。

另外，对转轮进行裂纹处理还会间接影响水电站的经济效益，增加维修及管理成本，所以需要电厂管理及维护人员能够对转轮裂纹的处理方案进行合理规划。

2 水轮机转轮产生裂纹的原因除了转轮结构材料的选择问题以及设计问题，对水流、水压控制不到位也会造成转轮裂纹的出现，下面文章就对这几种原因进行分析，以此来为相关裂纹防控方案的制定提供帮助。

2.1 转轮材料选择有误水轮机在水力发电系统中扮演着重要角色，需要相关制造及生产人员能够对其中涉及到的零构件质量提供保障。

但是个别生产部门在制造转轮的过程中会出现材料选择失误情况，一方面是因为水电站没有对转轮材质提出严格的要求，使得性质相似的材料被应用到了转轮的制造中。

另一方面是因为水电站没有对有特殊要求的转轮信息进行进一步的明确，使得转轮材质存在差异性问题。

而这些情况的出现都会间接导致转轮在后期使用中出现裂纹现象，不仅影响了水力发电系统的平稳运行，还间接增加了转轮的使用成本。

2.2 转轮结构存在漏洞水轮机转轮的制造对焊接工艺的要求较高，需要制作人员能够按照规范的流程步骤保证转轮焊接的精准性与稳定性。

水电站水轮机组活动导叶裂纹原因与处理措施摘要：关于水电站活动导叶裂纹问题,该文主要从导叶水力设计、强度估算、叶片材质、制作工序、焊接工艺以及裂纹发展规律等方面,剖析并彻底确定了导叶裂纹的主要原因。

为世界其他地区大中型水轮机活动导叶裂纹的防治处理提供了比较经验和借鉴。

关键字:水电站;导叶;裂纹;分析;预防处理一、电站情况我厂水轮机组是由VOITH SIEMENS生产的HLV200－LJ－428型水轮机组，额定功率137.8MW，最大功率为148.0MW，额定水头88.0m，额定转速166.67r/min。

主要由座环、转轮、水轮机主轴、水导轴承、主轴密封、导水机构、尾水补气系统等部件组成。

其中水轮机导水机构共设有24个活动导叶，活动导叶为三支点支撑，采用自润滑方式，三个轴承分别位于底环、上导叶套筒中。

活动导叶分布圆直径D=4791mm，导叶高度H=1213mm，材料采用不锈钢ZGOCr13Ni4Mo整体铸造。

自2006年投入运行以来，已进行过一轮大修，本次第二轮大修，发现个别导叶存在裂纹，以及局部导叶有汽蚀现象，严重威胁着设备的安全稳定运行。

二、水轮机活动导叶裂纹情况水电站于2022年3月对#1机组进行第二轮A修，在对#1机组24块活动导叶正反面四周边缘部位及R角部位进行磁粉检测时，发现12号活动导叶存在下端R角部位有1处裂纹显示，最长裂纹35mm，其余检测部位未发现应记录缺陷磁痕显示。

如下图所示三、裂纹产生的原因分析水轮机导叶处于高速水流下工作，由于循环载荷和交变载荷引起的疲劳产生裂纹，在扰动应力下的裂纹扩展使新生的裂纹面不断地暴露在腐蚀介质中，从而加速了腐蚀，不断发生的腐蚀过程也使疲劳裂纹更快地形成和扩展，形成了横向和纵向裂纹，裂纹尖端的应力集中最严重，疲劳裂纹的形成破坏了材料的连续性，并且在裂纹尖端形成了一个特殊的应力场，会严重影响材料的安全使用。

中心部分:经过MT故障测试等系列试验后确认,延迟冷裂纹是由于非标准补焊所造成的;问题是补焊前加热温度不足,且焊接时没有后加热,造成焊接时氢气扩散无法有效去除,导致裂纹。

推广应用需要加强。本研究的成果在 某些程度上可以为混流式水轮机转轮 叶片的疲劳裂纹控制提供理论和实践 指导，但是这些成果还需要在更广泛 的范围内进行推广和应用。未来研究 可以开展更多的工程实践和技术推广 工作，将研究成果应用到更多的实际 工程项目中，以验证其可行性和有效 性
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《混流式水轮机转轮叶片疲 劳裂纹控制研究》
2023-10-28
目录
• 研究背景与意义 • 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹概述 • 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹检测方法 • 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制方法 • 混流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制技术展望 • 研究结论与展望
01
研究背景与意义
研究背景
降低故障率。
控制疲劳裂纹有助于延长转轮 叶片的使用寿命，提高水电站
的发电效率。
研究结果可以为混流式水轮机 设计、制造和运行提供理论依 据和技术支持，推动水力发电
领域的发展。
02
混流式水轮机转轮叶片疲 劳裂纹概述
混流式水轮机转轮叶片结构与功能
混流式水轮机转轮叶片是混流 式水轮机中的重要组成部分， 其结构通常由叶片、轮毂和盖 板等组成。
建立了完整的疲劳裂纹控制体系。通过综合应用上述研究成果，建立了一套完整的疲劳裂 纹控制体系。这个体系包括设计阶段、制造阶段、运行阶段和维护阶段等多个环节，对每 个环节都提出了相应的控制策略和控制方法。
研究不足与展望
研究仍存在局限性。尽管本研究在混 流式水轮机转轮叶片疲劳裂纹控制方 面取得了一些成果，但仍然存在一定 的局限性。例如，实验条件和实际运 行条件仍存在差异，这可能会影响研 究的准确性和可应用性。未来研究可 以进一步改进实验方法和条件，以更 准确地模拟实际运行情况。

浅析水轮机转轮叶片的补强处理摘要：本文通过对于水轮机转轮叶片进行有限元的计算分析，从而得出水轮机转轮叶片裂纹产生的原因，并由此分析得出包括裂纹金属无损探伤在内的水轮机转轮叶片的补强处理方法。

关键词：水轮机；转轮叶片；补强处理作为发电厂的支柱性机械，水轮机叶片一旦频繁地产生裂纹就会对于整个发电的机组安全造成威胁，与此同时也不可避免的带来财产上的损失。

由此可见，严格分析水轮机转轮叶片裂纹的产生原因、针对有问题的水轮机叶片进行损伤检查后和补强处理，从而减少水轮机转轮出现裂纹或其他情况影响发电厂正常工作。

1.轮机转轮叶片问题分析1.1 水轮机转轮叶片受力集中通过有限元计算的方式可以得出，水轮机的转轮受到压力和离心力两方面的作用，这两方面力主要作用的位置正是水轮机转轮的叶片位置，相当一部分的应力是沿着叶片周边进行分布的，叶片靠近上冠的位置往往受力最大容易出现裂纹情况。

1.2水轮机转轮叶片铸造和焊接缺陷水轮机转轮叶片铸造的气孔和焊接的短板都是可能成为裂纹源的主要对象，两者本身就在构造上尤其脆弱性，加之外力的作用，上环下环的厚度不一致，导致在冷却、加热的过程中出现裂缝。

1.3水轮机转轮叶片不合理运载水轮机额转轮叶片由于长期不合理的高速运转，或是大量时间的超负荷、震动在负荷线上会让水轮机转轮叶片在外力的作用下产生裂纹以及导致原有裂纹情况更深。

1.4水轮机转轮叶片设计问题大多数水轮机叶片和设计的过程中上环与下环的过渡角度不够合理，角度普遍较小导致了外力更加集中与水轮机叶片当中，导致了裂纹和其他不安全因素的产生。

2.水轮机转轮叶片的补强处理2.1防止水轮机转轮叶片裂纹延伸处理想要进行补强处理，首先需要控制水轮机转轮叶片的裂纹延伸情况，一般而言裂纹的发生位置即为两端受力最大的位置，一旦在热力或者更大外力下会更加延伸，为了保值补强处理的质量必须先要在裂纹的两边进行打孔处理，孔的大侠控制在直径五毫米左右，在钻孔的过程中一旦发现有新的裂纹出现就应当停止打孔或者增大打孔的深度至七毫米。

收 稿 日期 ：０ １ １ — ６ ２ １ — ２ ２
度测 量数 值 正常 ，满 足机组 运行 设计 要求 。机 组 在
５ 左 右 负荷 时水 轮机 振 动较 发 电机 振 动 大 ， ０ＭＷ 在
作者 简介 ： 雷江逵（ ９ ８ ）男 ， １６ 一 ， 高级工程师 ， 从事水电站机 电设备的选 型、 安装调试和设备的技术改造工作 。
片 数 ：３ 转 轮 叶形 ： 型 ； 片 出水 边 厚 度 ： １； ｘ 叶 ７ｍｍ； 转轮研 制 单位 ： 东方 电机 集 团公 司 。
３ 转轮处理前的检查和分析
３１处理 前检 查 ．
对 转 轮 的各 个部 位分 批次 进行 详细 检查 ，检 查 的 主要部 位 有 ， 轮 上冠 、 轮 下 环 、 轮 叶 片 和泄 转 转 转
关 键 词 ： 轮 机 转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ轮 ；裂 纹 ；分 析 处 理 水 中 图分 类 号 ：Ｋ ３ ．２ Ｔ ７ ０３ ３ ＋ 文献 标 识 码 ： Ｂ 文 章 编 号 ：６ ２ ５ ８ （ ０２ ０ — ０ ６ ０ １７ — ３ ７ ２ １ ）２ ０ ４ — ２
１水轮机基本情 况
１１水 轮机 特性 参数 ． 水 轮 机 型 号 ： ｕ ６ 一 Ｌ一 ３ ０ 额 定 出 力 ： Ｈ ６ Ｊ １； １ ２ ４ＭＷ； ０． ０ 额定 转 速 ２ ００ｆ ｎ 额 定 水 头 １ ５ｉ； ５ ． ｍｉ； ２ ｎ
第３ ５卷 第 ２期
２１ ０ ２年 ４月
水
电 站 机
电 技
术
ＶｏＩ ５ Ｎｏ２ ． ． ３ Ａｐ ．０１ ｒ２ ２
Ｍ ｅ ｈ ｎｉａ ｃ ａ ｃ ｌ＆ Ｅｌｃ ｒｃ ｌ ｃ ｎｉｕｅｏ ｙ ｒ ｐ ｗｅ ｔｔｏ ｅ ｔｉ ａ ｈ ｑ ｆ ｄ ｏ ｏ ｒＳ ａｉｎ Ｔｅ Ｈ

水电厂水轮机叶片裂纹及处理方法摘要：水电厂水轮机运行过程中很难避免因为各种因素导致的叶片裂纹发生，所以如何高效处理水电厂水轮机叶片裂纹成为了提高水轮机运行效率及安全的关键，也是提高水电厂生产效率及安全的核心，长期引来相关工作人员的重视及关注，由此可见合理处理水电厂水轮机叶片裂纹的重要性。

对此，本文根据相关文献，结合相关工作经验，深入探讨了水电厂水轮机叶片裂纹及处理方法，希望对实际的水电厂水轮机叶片裂纹处理工作起到积极作用。

关键词：水电厂；水轮机；叶片裂纹；处理方法水电厂是推动电力行业发展的主要原动力，而水轮机则是水电厂高效生产及安全运行的关键影响因素，既水轮机运行效率及运行安全性越高则越有利于水电厂生产效率及运行安全水平的提升，反之则降低生产效率及安全性，所以水轮机也影响了电力行业发展。

水轮机实际应用过程中会时常发生转轮叶片裂纹问题，如果不及时处理，则会直接威胁到机组安全运行，严重者还会给水电厂造成巨大的经济损，甚至阻碍整个电力行业发展失。

所以作为相关工作人员，不仅要重视水电厂水轮机叶片裂纹问题，还需要分析产生裂纹的原因，并在该基础上制定和实施高效且针对性强的裂纹处理方法，以提高水轮机安全性及稳定性，保证机组安全运行。

1水电厂水轮机叶片裂纹机理的简单概述首先，常见的水轮机叶片裂纹是疲劳裂纹，是在拉应力作用下形成的。

疲劳裂纹主要发生在叶片表面尖角部位，是长时间在高强度、高负荷运行状态下产生很大循环应力，然后在循环应力作用下形成疲劳裂纹。

其次，应力状态是裂纹形成的主要影响因素，如动应力幅值、平均应力频率、环境介质等都会影响叶片裂纹，很多疲劳裂纹都是因为以上参数因素发生异常后被检测出来的。

例如当构件所承受的动应力幅值超过材料本身疲劳极限就会产生疲劳裂纹，如果动载荷幅值过大则会加速裂纹发生。

此外，水轮机叶片还会在较大水流冲击力影响下萌生疲劳裂纹[1]。

最后，水轮机叶片材料质量是否达标、材料状态是否正常等都会影响裂纹发生。

水轮机叶片裂纹原因分析及现场修复措施发表时间：2018-10-25T17:15:15.383Z 来源：《防护工程》2018年第19期作者：杭天培王乾坤[导读] 近年来，华能雨汪电厂在长底水电站水轮机大修中发现水轮机转轮的叶片频繁发生裂纹，严重威胁水电站的安全经济运行云南滇东雨汪能源有限公司华能雨汪电厂云南省曲靖市 655507摘要：近年来，华能雨汪电厂在长底水电站水轮机大修中发现水轮机转轮的叶片频繁发生裂纹，严重威胁水电站的安全经济运行，本文对长底水电站水轮机转轮叶片裂纹产生的原因进行分析及并对其进行现场处理，消除事故隐患，保证了机组安全稳定运行。

关键词：裂纹转轮叶片水轮机坡口一、引言华能雨汪电厂长底水电站长底水电站装机规模4×4.5MW,水轮机型号为ZDJP502～LH～250(0°),设计参数：水头15m，额定转速214.3r/min，飞逸转速 472r/min，额定出力 4737kW，额定流量 34.61m3/s，2010年1月份投产，在历次大修中发现每台水轮机转轮叶片根部均存在裂纹现象，1号机组有3只叶片根部发现裂纹，2号机组、3号机组、4号机组有1只叶片根部焊缝发现裂纹。

二、裂纹产生原因分析通过对比每台机组叶片根部焊缝裂纹，裂纹分布在距叶片上冠约220mm处，长200～400mm，该位置正处于转轮叶片应力集中区。

一般转轮叶片存在四个高应力区，它们的位置在叶片进水边正面(压力分布面)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；叶片与下环连接区内。

对裂纹打磨发现，焊缝内部存在条状缺陷，有的约3mm左右气孔、夹渣缺陷，在外部应力的作用下可能会成为裂纹源，造成裂纹的产生。

转轮结构图（图1）裂纹示意图（图2）三、修复方案1、焊材的确定转轮材质为ZG230-450，叶片材质为0Cr13Ni4Mo，转轮直径800mm，长1200mm，叶片根部厚度75mm，转轮为铸钢材料，焊缝为异种钢焊接，根据一般异种焊接匹配原则，选择焊材为A102，A102是钛钙型药皮的Cr19Ni10不锈钢焊条。