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大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因分析與處理

文檔作者：張健文檔來源：國電大渡河檢修安裝有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年11月03日
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上一篇：水輪機(jī)過速事故的案例回顧及原因分析

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２０１５ 年第９ 期
２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ ９
水電與新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
總第１３５ 期
Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１３５
ＤＯＩ： １０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２ －１８００／ｔｖ．１６７１ －３３５４．２０１５．０９．０１１
收稿日期：２０１５ －０７ －０８ 作者簡介：張　健，男，助理工程師，從事水電站機(jī)械設(shè)備檢修工作。
大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的
原因分析與處理
張　健
（國電大渡河檢修安裝有限公司，四川樂山　６１４９００）
摘要：瀑布溝水電站安裝有６ 臺單機(jī)６００ ＭＷ 大型水輪發(fā)電機(jī)組，在進(jìn)行機(jī)組Ｂ 級檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)了
不同程度的貫穿性裂紋，葉片發(fā)生了變形，為此，對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行了分析，提出了處理意見。
關(guān)鍵詞：瀑布溝水電站；轉(zhuǎn)輪葉片；裂紋處理
中圖分類號：ＴＫ７３０．３ ＋２３：ＴＫ７３０．８　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ｂ　　文章編號：１６７１ －３３５４（２０１５）０９ －００３８ －０２
Analysis and Treatment of Cracks in Runner Blades
in Large-scale Hydro-turbine Units
ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ
（Ｇｕｏｄｉａｎ Ｄａｄｕ Ｒｉｖｅｒ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｌｅｓｈａｎ ６１４９００， Ｃｈｉｎａ）
Abstract： Ｉｎ Ｐｕｂｕｇｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ， ｓｉｘ ｌａｒｇｅ-ｓｃａｌｅ ｈｙｄｒｏ-ｔｕｒｂｉｎｅ ｕｎｉｔｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｎｉｔ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ６００ ＭＷ ａｒｅ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ．
Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ Ｂ-ｌｅｖｅｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｕｎｉｔｓ， ｐｅｎｅｔｒａｔｉｎｇ ｃｒａｃｋｓ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ｉｎ ｍａｎｙ
ｒｕｎｎｅｒ ｂｌａｄｅｓ．Ｒｅａｓｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｓ ａｒｅ ｔｈｕｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ． Key words： Ｐｕｂｕｇｏｕ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ； ｒｕｎｎｅｒ ｂｌａｄｅ； ｃｒａｃｋｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
　　瀑布溝水電站位于大渡河中游，安裝６ 臺單機(jī)容
量６００ ＭＷ 水輪發(fā)電機(jī)組，其中２、４、６ 號機(jī)組水輪機(jī)
轉(zhuǎn)輪由東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪型號為
ＨＬＤ４１６Ａ －ＬＪ －６９６，額定出力為６１１ ＭＷ，額定轉(zhuǎn)速
為１２５ ｒ／ｍｉｎ，額定水頭為１５６．７ ｍ，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和
葉片都采用鑄鋼ＡＳＴＭ Ａ７４３．ＣＢ －６ＮＭ，其中葉片采
用ＶＯＤ 爐外精煉技術(shù)制造，各件經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工后組
焊成兩瓣整體，轉(zhuǎn)輪共有１５ 個(gè)Ｘ 形葉片，每個(gè)葉片重
７．０２ ｔ。
瀑布溝２ 號機(jī)組運(yùn)行５ ａ 后，在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪檢查時(shí)
發(fā)現(xiàn)３ 條肉眼可見裂紋，１ 號葉片出現(xiàn)了變形，其他葉
片裂紋均出現(xiàn)在出水邊靠近泄水錐葉片本體上。１ 號
葉片背面裂紋長度為７２０ ｍｍ，葉片正面裂紋長度為
６５０ ｍｍ，裂紋錯(cuò)牙為１２ ｍｍ；２ 號葉片背面裂紋長度
７０ ｍｍ，葉片正面裂紋長度為４０ ｍｍ，未出現(xiàn)錯(cuò)牙現(xiàn)
象；１０ 號葉片背面裂紋長度４０ ｍｍ，葉片正面裂紋長
度３５ ｍｍ。
１　轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的原因
1．1　轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)問題
瀑布溝東電機(jī)組轉(zhuǎn)輪采用Ｘ 形葉片，若Ｘ 形葉片
與上冠、下環(huán)間的過渡R 角設(shè)計(jì)值較小就引起轉(zhuǎn)輪的
應(yīng)力集中。
1．2　轉(zhuǎn)輪鑄造缺陷及焊接缺陷
轉(zhuǎn)輪鑄造產(chǎn)生的缺陷會在外部應(yīng)力的作用下造成
裂紋源，是造成轉(zhuǎn)輪裂紋的根本原因。Ｘ 形葉片與轉(zhuǎn)
輪上冠、下環(huán)的厚度相差較大，轉(zhuǎn)輪鑄造過后在進(jìn)行冷
卻過程中就會產(chǎn)生氣孔、疏松等。
1．3　轉(zhuǎn)輪應(yīng)力集中區(qū)域
水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力區(qū)主要分布在葉片的周
邊上，所以應(yīng)力集中是造成轉(zhuǎn)輪裂紋的原因之一。
1．4　ＡＧＣ 投入的影響
瀑布溝電站機(jī)組投入了ＡＧＣ，ＡＧＣ 的投入使得機(jī)
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張　?。捍笮退啓C(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋產(chǎn)生的原因分析與處理２０１５ 年９ 月
組負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁，機(jī)組長期處于低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行，而低
負(fù)荷區(qū)域是機(jī)組的振動區(qū)域，振動區(qū)域流道內(nèi)水流不
穩(wěn)定［１］ ，機(jī)組的擺度及振動會隨之增加，轉(zhuǎn)輪在交變
應(yīng)力的作用下就出現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象，加之轉(zhuǎn)輪的其他設(shè)
計(jì)等綜合因素，使轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生了裂紋。
ＡＧＣ 投入后，據(jù)統(tǒng)計(jì)瀑布溝２ 號水輪發(fā)電機(jī)組在
１ ａ 內(nèi)機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)到了２０ ０００ 次，頻繁的負(fù)荷調(diào)
節(jié)使得機(jī)組工況跨區(qū)域運(yùn)行，在冬季大渡河來水量較
小，單臺機(jī)組所帶負(fù)荷較少，就出現(xiàn)機(jī)組在振動區(qū)運(yùn)
行［２］ ，加上東電機(jī)組轉(zhuǎn)輪集中應(yīng)力過大，因此葉片產(chǎn)
生裂紋。
２　裂紋處理
2．1　裂紋清理
裂紋尖端前方２０ ｍｍ 用碳弧氣刨刨至裂孔，使用
碳弧氣刨的方法清理裂紋，打磨碳弧氣刨表面，去除碳
弧氣刨產(chǎn)生的滲碳層，須見金屬光澤，按圖１ 預(yù)制焊接
坡口，根據(jù)R 和角度α以方便施焊來確定。
圖1　裂紋清理及預(yù)制焊接坡口示意圖
2．2　補(bǔ)焊工藝
葉片補(bǔ)焊可采用２ 種方法：①用同種材料進(jìn)行熱
焊，這種方法工藝較復(fù)雜，要進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處
理，焊接條件較惡劣，但是由于補(bǔ)焊焊縫的填充材料和
被補(bǔ)焊母材基本一致，因此，在使用過程中出現(xiàn)問題的
可能性較小。②用奧氏體焊條進(jìn)行冷焊。冷補(bǔ)焊工藝
簡單，生產(chǎn)周期短。冷補(bǔ)焊焊接過程中不發(fā)生相變，且
焊縫的塑性較好。因此，該方案可不預(yù)熱，簡化了補(bǔ)焊
工藝，避免了因鑄鋼件受到大的熱作用，而減小了被焊
件的應(yīng)力和變形。奧氏體焊條冷焊工藝簡單，但是補(bǔ)
焊金屬強(qiáng)度低于母材，且由于不預(yù)熱冷焊，近縫區(qū)的冷
卻速度較大，不可避免在補(bǔ)焊的近縫區(qū)產(chǎn)生淬硬組織，
給補(bǔ)焊接頭的性能帶來不利影響。
焊接過程中，除打底層和蓋面層之外，其余每層焊
后立即進(jìn)行錘擊消除應(yīng)力，焊接過程中預(yù)熱，焊縫機(jī)器
周圍５０ ｍｍ，采用電加熱片進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度為
８０℃，道間溫度為１８０℃，焊縫采用多層多道焊，焊接
順序如圖２ 所示；葉片正面焊接結(jié)束后，背面進(jìn)行清
根，使用碳弧氣刨清根，并打磨滲碳層，如圖３ 所示。
外觀觀察確認(rèn)清根表面清理干凈，按ＡＳＭＥ 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行
ＰＴ 探傷，焊接背面坡口，采用多層多道焊，如圖４
所示。
圖2　焊接順序
圖3　打磨滲碳層
圖4　背面坡口焊接
瀑布溝２ 號機(jī)組１ 號葉片裂紋存在著錯(cuò)牙現(xiàn)象，
葉片仰焊位置清理后進(jìn)行搭焊，焊接分為３ 段進(jìn)行，焊
后用電加熱對焊縫加熱，溫度為２６０℃，保溫２ ｈ，然后
緩冷至室溫，冷卻后對焊縫表面進(jìn)行修磨，粗糙度不低
于原表面。
2．3　焊后殘余應(yīng)力測試
瀑布溝２ 號機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋處理后，水利部水工金
屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心測試人員對瀑布溝２ 號機(jī)組
葉片進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。本次殘余應(yīng)力測試采用Ｘ
（下轉(zhuǎn)第４２ 頁）
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水電與新能源２０１５ 年第９ 期
場可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行拼接、切割。除此之外，新型密
封條材質(zhì)除有一般聚氨酯的性能外，還有較好的機(jī)械
加工性能、優(yōu)異的耐水解性能（一般聚氨酯耐水解穩(wěn)
定性差）、優(yōu)異的耐磨性能（約為天然橡膠的３ ～５
倍）、較高的軟化溫度（可達(dá)２７０℃）、較低的玻璃化溫
度（約－８０℃）、優(yōu)異的機(jī)械性能（邵氏硬度、撕裂強(qiáng)
度、拉伸強(qiáng)度、伸長率等）。
新型密封條在安裝過程中及運(yùn)行一段時(shí)間后也存
在一些問題和可以改進(jìn)的地方，如在導(dǎo)葉立面密封改
造過程中，由于密封槽表面凹凸不一，安裝過程中密封
不銹鋼條很難完整地插入聚醚聚氨酯密封條中；經(jīng)多
年運(yùn)行，活動導(dǎo)葉底部存在嚴(yán)重空蝕，導(dǎo)葉下端金屬密
封安裝后不能與活動導(dǎo)葉密封槽底部完全貼合，容易
發(fā)生空蝕，可考慮采取其他抗空蝕材料，或更換為質(zhì)地
軟、耐壓性能高的金屬材料。
３　結(jié)　語
葛洲壩機(jī)組導(dǎo)葉立面密封先后進(jìn)行了兩次改造，
改造后導(dǎo)葉全關(guān)狀態(tài)下的封水性能、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的安全
運(yùn)行壽命以及導(dǎo)葉密封條的完整度都得到提高，保障
了機(jī)組的順利實(shí)現(xiàn)開、停機(jī)，減少了水力損失，增加了
發(fā)電效益。
新型組合式密封的結(jié)構(gòu)和密封性能基本上滿足了
設(shè)計(jì)要求，安裝難度低，但由于活動導(dǎo)葉多年運(yùn)行后密
封槽表面凹凸不平，寬窄不一，導(dǎo)葉下端部存在嚴(yán)重空
蝕，致使其密封性能難以保證。因此，對于老式橡膠條
密封脫落缺陷，在不具備吊導(dǎo)葉的條件下，可采用新型
組合式密封作為臨時(shí)處置措施；而在機(jī)組大修期間，通
過吊出活動導(dǎo)葉進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，對其實(shí)施單側(cè)不銹鋼
壓板式的密封結(jié)構(gòu)改造，能夠從根本上解決因密封條
易脫落，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)蠕動的問題。
參考文獻(xiàn)：
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面密封改造研究［Ｊ］．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， ２０１０（１９）： ９７ －９８
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改造研究［Ｊ］．水電與新能源， ２０１１（５）： ２９ －３２
（上接第３９ 頁）
射線衍射法，殘余應(yīng)力測試儀為加拿大生產(chǎn)的ＰＲＯＴＯ
ｉＸＲＤ 型Ｘ 射線應(yīng)力測定儀。本次殘余應(yīng)力測試共對
５ 個(gè)被測工件的１０ 個(gè)測試區(qū)域進(jìn)行了測試，測試結(jié)果
見表１。
表1　瀑布溝2 號機(jī)組片殘余應(yīng)力測試結(jié)果簡表ＭＰａ　
測區(qū) 測點(diǎn)１ 測點(diǎn)２ 測點(diǎn)３ 測點(diǎn)４ 測點(diǎn)５ 測點(diǎn)６ 測點(diǎn)７ 葉片１４ －１ １２２ １３７ －１６０ －１８７ －１６４ －１６３ －２３５ 葉片１４ －２ －２５１ －１９７ －１５６ －２７２ －７９ －１３３ －１０８ 葉片２ －１ －４４ －３４ －４ －１４９ －２２４ －１６２ －１９４ 葉片２ －２ －１８１ －２０１ －１５４ －１７１ －１９４ －２３２ －２４１ 焊縫１ －１ －２０９ －１３３ －１１９ －５３ ３２ －１８７ －１３５ 焊縫１ －２ ３１７ ３０３ ３８２ ３９８ ２２５ ３３１ ２３４ 焊縫２ －１ －１４８ －１３３ －１２１ －１４０ －２６６ －３１０ －１９７ 焊縫２ －２ －１９０ －４１６ －２７６ －１５５ －２０６ －１６７ －１９６ 焊縫１０ －１ １２６ １４６ －２０６ －３２４ －１０２ －６９ －２９５ 焊縫１０ －２ ２２０ １９５ ２２２ ３２７ １４６ ２６ －６３ 注：①焊縫１、焊縫２ 分別為１、２ 號葉片與進(jìn)水錐連接處的焊
縫，焊縫１０ 為１０ 號葉片與下環(huán)連接處焊縫。葉片１４ 為本次未
損壞、未處理的葉片，數(shù)據(jù)用來與其他進(jìn)行對比。②表中數(shù)值
正號為拉應(yīng)力，負(fù)號為壓應(yīng)力。
３　結(jié)　語
１）近年來，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片裂紋頻繁發(fā)生，尤
其是在大型機(jī)組上也出現(xiàn)了裂紋缺陷，嚴(yán)重威脅水電
廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要在機(jī)組檢修時(shí)對應(yīng)力集中
等易于產(chǎn)生裂紋的部位進(jìn)行無損探傷檢查，對發(fā)現(xiàn)的
缺陷及時(shí)處理，把事故消滅在萌芽狀態(tài)，保證機(jī)組的安
全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
２）瀑布溝２ 號機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋處理后，對葉片進(jìn)行
了殘余應(yīng)力測試，經(jīng)補(bǔ)焊處理后的葉片與未處理的葉
片相比，其殘余應(yīng)力在相同的數(shù)量級范圍內(nèi)，說明處理
工藝還是比較得當(dāng)?shù)摹?
３）瀑布溝２ 號機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋處理工藝，也
可供其他類似大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋處理參考借鑒。
參考文獻(xiàn)：
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