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水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因分析及處理

文檔作者：羅利均1 李書麗2 文檔來源： 1.四川省紫坪鋪水力發(fā)電廠 2.西華師范大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月03日
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上一篇：特大型燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)

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收稿日期：2013-04-01
作者簡介：羅利均（1981-），男，工程師，從事水電站機(jī)組機(jī)械設(shè)備
檢修及維護(hù)工作。
水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因分析及處理
羅利均1，李書麗2
（1.四川省紫坪鋪水力發(fā)電廠，四川都江堰611830；2.西華師范大學(xué)，四川南充637000）
摘要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的重要組成部分，其輪轂與葉片間過渡區(qū)在力學(xué)性能上是整個轉(zhuǎn)輪的薄弱環(huán)節(jié)，該區(qū)
域在機(jī)組運(yùn)行中容易發(fā)生裂紋。本文介紹了紫坪鋪水力發(fā)電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在檢修中發(fā)現(xiàn)的裂紋情況以及對裂紋的
分析和處理，并提出電廠在機(jī)組運(yùn)行方式以及維護(hù)檢修方面的建議。
關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；裂紋；探傷檢查
中圖分類號：TK730.3+23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1672-5387（2013）04-0079-03
紫坪鋪水力發(fā)電廠位于四川省成都市西北60 km
的岷江上游都江堰市麻溪鄉(xiāng)境內(nèi)，電廠裝有4 臺19
萬kW 的半傘式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量76 萬
kW，在系統(tǒng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻以及系統(tǒng)事故備
用任務(wù)。電廠機(jī)組最高水頭132.76 m，額定水頭100
m，最低水頭68.4 m。電廠首臺機(jī)組于2005 年10 月
投運(yùn)，2006 年5 月4 臺機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。
電廠機(jī)組水輪機(jī)型號為HLPO140-LJ-485，由
俄羅斯列寧格勒金屬工廠（簡稱為“LMZ”）作為分包
商承擔(dān)水輪機(jī)模型試驗(yàn)和轉(zhuǎn)輪的制造。轉(zhuǎn)輪采用鑄
焊結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)及葉片均采用抗空蝕、抗磨
蝕和良好焊接性能的08Cr15Ni4CuMo 不銹鋼制造。
其中葉片采用模壓方式，下環(huán)由不銹鋼板卷制，轉(zhuǎn)輪
上冠采用整體鑄造。機(jī)組設(shè)計(jì)采用大軸中心孔補(bǔ)氣
方式對機(jī)組尾水管進(jìn)行補(bǔ)氣，同時在機(jī)組頂蓋上設(shè)
計(jì)有真空破壞閥補(bǔ)氣，破壞機(jī)組在非最優(yōu)工況運(yùn)行
時尾水管內(nèi)產(chǎn)生的渦帶，減小汽蝕和渦帶帶來的振
動。
1 轉(zhuǎn)輪裂紋情況
2012 年2、3 月份，在電廠3 號、4 號機(jī)組進(jìn)行檢
查性大修即B 修中，安排了對機(jī)組轉(zhuǎn)輪焊縫探傷檢
查工作。PT 探傷結(jié)果顯示2 臺機(jī)組在轉(zhuǎn)輪葉片與上
冠、下環(huán)的部分連接焊縫處均存在長度在10 mm 以
內(nèi)的細(xì)小裂紋。其中：3 號機(jī)組共有21 處裂紋，1 處
葉片圓坑，深度約2 mm，直徑約4 mm。4 號機(jī)組共
有4 處裂紋，1 處葉片圓坑，圓坑直徑約為15 mm、
深約3 mm。對PT 探傷發(fā)現(xiàn)的細(xì)小裂紋，均使用磨光
機(jī)對裂紋進(jìn)行打磨檢查裂紋深度，檢查結(jié)果顯示所
有裂紋深度均在2 mm 以內(nèi)。
針對3 號、4 號機(jī)組在汛前檢修中發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)輪
焊縫裂紋情況，電廠高度重視并隨即安排對1 號、2
號機(jī)組的轉(zhuǎn)輪焊縫進(jìn)行了探傷檢查，探傷結(jié)果如下：
1 號機(jī)組用PT 探傷檢查時共發(fā)現(xiàn)22 處裂紋，
進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)其中有17 處裂紋深度在2 mm 以
內(nèi)，5 處裂紋深度超過2 mm。在深度超過2 mm 的裂
紋中，11 號葉片上的裂紋情況較最為嚴(yán)重，具體情
況如下：裂紋在11 號葉片出水口背面距根部約870 mm
處，PT 探傷裂紋長約10 mm。用磨光機(jī)打磨裂紋時
發(fā)現(xiàn)裂紋長度隨著打磨深度增加而增加，打磨至葉
片根部時發(fā)現(xiàn)裂紋總長約200 mm，同時在葉片根部
發(fā)現(xiàn)未焊透鈍邊，鈍邊縫隙在0.5 mm 左右。用超聲
波探傷檢查鈍邊長度在1 450 mm，位置在葉片根部
離出水邊根部約800 mm 到距進(jìn)水邊200 mm 區(qū)域。
2 號機(jī)組用PT 探傷檢查時共發(fā)現(xiàn)17 處裂紋，
進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)其中有11 處裂紋深度在2 mm 以
內(nèi)，6 處裂紋深度超過2 mm。在深度超過2 mm 的裂
紋中，6 號葉片上的裂紋情況較嚴(yán)重，具體為：裂紋
在6 號葉片進(jìn)水邊與轉(zhuǎn)輪上冠連接焊縫處，距離進(jìn)
水口約300 mm，PT 探傷裂紋長約500 mm。用磨光
機(jī)打磨、清理裂紋深度至葉片根部與下環(huán)連接處發(fā)
現(xiàn)未焊透鈍邊，超聲波探傷檢查鈍邊長度在1 400 mm
第36 卷第4 期水電站機(jī)電技術(shù)Vol.36 No.4
2013 年8 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station Aug.2013 79
左右，鈍邊位置同1 號機(jī)組11 號葉片探傷發(fā)現(xiàn)的鈍
邊位置。
2 轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析
針對探傷檢查發(fā)現(xiàn)的問題，電廠組織轉(zhuǎn)輪廠家
技術(shù)人員、電廠專家組進(jìn)行裂紋情況研究，并對裂紋
和圓坑產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入分析。
（1）應(yīng)力作用
在機(jī)組運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪在受到高壓水壓力和高轉(zhuǎn)
速離心力的共同作用下，轉(zhuǎn)輪葉片周邊存在4 個高
應(yīng)力區(qū)，位置主要分布在葉片進(jìn)水邊正面靠近上冠
處、葉片出水邊正面的中下部，這些部位極易產(chǎn)生裂
紋[1]。通過電廠轉(zhuǎn)輪探傷結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)輪裂紋基本都
出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片與上冠、下環(huán)的連接焊縫處，而裂紋
位置基本都分布在葉片進(jìn)水正面靠近上冠處和葉片
出水邊背面的中下部。由此可判斷，高應(yīng)力作用是裂
紋產(chǎn)生的可能原因之一。
（2）結(jié)構(gòu)方面
電廠轉(zhuǎn)輪為上冠、葉片、下環(huán)單獨(dú)制造，然后進(jìn)
行組焊連接，焊接時在葉片的中部留鈍邊未全焊透
方式也是焊縫裂紋產(chǎn)生的可能原因之一。
（3）振動原因
水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行中，因?yàn)樗φ駝釉蛞矔?
導(dǎo)致焊縫疲勞損傷產(chǎn)生裂紋。產(chǎn)生水力振動主要有
以下因素：水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動、空腔
汽蝕、卡門渦列、間隙射流等。當(dāng)機(jī)組在非設(shè)計(jì)工況
或過渡工況運(yùn)行時，通過水輪機(jī)的水流狀況惡化，水
力振動較為明顯，造成的破壞也相對加劇[2]。
對此，查閱電廠于2009 年外委試驗(yàn)單位對全廠
4 臺機(jī)組在不同水頭不同負(fù)荷下做的機(jī)組變負(fù)荷試
驗(yàn)資料。該試驗(yàn)主要針對紫坪埔電廠水頭變幅大（變
幅比達(dá)到1.94）以及在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰和調(diào)頻作用
的實(shí)際情況，在不同的水頭下通過對機(jī)組在運(yùn)行中
各關(guān)鍵部位如上機(jī)架、定子機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋的水
平振動和垂直振動以及機(jī)組上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水
導(dǎo)軸承擺度的監(jiān)測，從而確定機(jī)組負(fù)荷的一般振動
區(qū)、強(qiáng)振動區(qū)以及不宜長期運(yùn)行區(qū)間。
下面以其中一個水頭（109.74 m）下的變負(fù)荷試
驗(yàn)為例簡述試驗(yàn)情況及試驗(yàn)結(jié)果：
試驗(yàn)過程：機(jī)組空載運(yùn)行穩(wěn)定后，負(fù)荷從0～
190 MW 逐步遞增，并在各負(fù)荷下機(jī)組運(yùn)行相對穩(wěn)
定時進(jìn)行各關(guān)鍵部位監(jiān)測數(shù)據(jù)收集，試驗(yàn)記錄如表
1 所示：
表1 3 號機(jī)組在109.74 m 毛水頭下的變負(fù)荷試驗(yàn)記錄
試驗(yàn)結(jié)果：
1）在0～40 MW 負(fù)荷區(qū)間，各部振擺幅值變化
較小。
2）強(qiáng)振動區(qū)主要集中在負(fù)荷為50～150 MW 之
間：在60 MW 負(fù)荷時，機(jī)組進(jìn)入尾水管低頻渦帶振
動區(qū)；在80 MW 負(fù)荷時開始補(bǔ)氣，機(jī)組各部振動較
強(qiáng)烈。
3）在150 MW 負(fù)荷之后，機(jī)組逐漸進(jìn)入高效穩(wěn)
定運(yùn)行區(qū)域，隨負(fù)荷的增加，各部振擺、尾水管內(nèi)壓
力脈動幅值呈減小趨勢。
4）負(fù)荷達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷190 MW 時，各部振動、擺
度均較小，同時機(jī)組運(yùn)行時的噪聲也較小。
試驗(yàn)最終結(jié)果：機(jī)組在該水頭下的優(yōu)化負(fù)荷運(yùn)
行區(qū)間為130 MW～190 MW。
在機(jī)組的整個變負(fù)荷試驗(yàn)（其他水頭下）中，還
發(fā)現(xiàn)振動和擺度的幅值變化伴隨機(jī)組運(yùn)行水頭偏離
設(shè)計(jì)水頭（100 m）的大小而相應(yīng)變化，高水頭、低負(fù)
荷時，振動最為明顯。
電廠機(jī)組長時間在80～130 MW 區(qū)間運(yùn)行起調(diào)
峰和調(diào)頻作用，而該負(fù)荷區(qū)間正好是機(jī)組的強(qiáng)振動
區(qū)，結(jié)合對試驗(yàn)報(bào)告的研究分析得出機(jī)組在非設(shè)計(jì)
工況下長時間運(yùn)行是導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的重要原
因。
綜上分析，紫坪鋪電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪焊縫的裂紋是
由上述三點(diǎn)原因綜合作用產(chǎn)生，而圓坑則是在機(jī)組
試驗(yàn)時間
2006/9/20
15:00
上游
水位
855.13
m
下游
水位
745.39
m
毛水頭
109.74
m
最大
出力
190 MW最大出力時對應(yīng)
開度
82.75％
最大出力時對應(yīng)流
量
192.7 m3/s
1、全負(fù)荷范圍內(nèi)均未超過120μm 國標(biāo)允許值
上機(jī)架 2、在0～90 MW 范圍，振動超過100μm，70 MW 出力
時最大，為111.3μm；90～190 MW范圍，振動小于100
μm。
1、全負(fù)荷范圍內(nèi)均超過30μm 國標(biāo)允許值。
定子
機(jī)架2、50～70 MW范圍，超標(biāo)嚴(yán)重，62 MW 時最大，為55.16
μm。
1、全負(fù)荷范圍內(nèi)均未超過80μm 國標(biāo)允許值。
下機(jī)架 2、50～70 MW范圍，振動較大，62 MW 時最大，為63.06
μm。
1、水平振動：全負(fù)荷范圍內(nèi)均未超過140μm 標(biāo)準(zhǔn)允許
值。
振動
情況
頂蓋
2、垂直振動：50～70 MW范圍，振動較大，部分超過標(biāo)
準(zhǔn)值100μm，63 MW 時最大，為137.87μm。
擺度
情況
水導(dǎo)擺度全出力范圍均未超過國標(biāo)350μm 允許值，三部軸承擺
度變化趨勢大致相同，擺度增大區(qū)域?yàn)?0～130 MW，60～110 MW
水導(dǎo)擺度超過300μm。
80 水 電 站 機(jī) 電 技 術(shù) 第 36卷
主PT 的剩余電壓線圈接成閉合三角形，在穩(wěn)
態(tài)下三相電壓對稱，開口角回路無電壓，可以將其
短接，同時，閉合三角形可以消除零序磁通（包括三
次諧波）導(dǎo)致正常運(yùn)行時的三相電壓不平衡和繼電
器回路電壓超標(biāo)的現(xiàn)象。其電路如圖2 所示。
5 結(jié)束語
經(jīng)過咨詢，國內(nèi)生產(chǎn)抗諧振型電壓互感器，采用
的原理也都是4PT 原理，本工程電壓互感器柜已經(jīng)
安裝就位，現(xiàn)場落實(shí)了設(shè)備具體尺寸，核實(shí)了能安裝
進(jìn)去的最大裕量。大連第一互感器有限責(zé)任公司對
所采用的“ 4PT ”消諧方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)
驗(yàn)證，并已獲得專利權(quán)，設(shè)備外型尺寸滿足現(xiàn)有開關(guān)
柜改造要求。
博湖西泵站改造工程，對母線電壓互感器爆炸
的原因進(jìn)行了認(rèn)真分析后，采取了一系列工程措施，
調(diào)整6.3 kV 母線電壓互感器為“ 4PT ”接線型式，重
新調(diào)整6.3 kV 母線電壓互感器柜內(nèi)熔斷器的額定
電流整定值為0.5 A。工程運(yùn)行至今一切正常。本工
程實(shí)例可為同類水利水電工程在解決諧振過電壓方
面積累一定的經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)：
[1]陳慈宣.過電壓保護(hù)原理與運(yùn)行技術(shù)[M].北京：中國電力出
版社，2002.
[2]DL/T 620-1997.交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].
淵上接第78 頁冤
運(yùn)行時，水流中混雜的堅(jiān)硬物質(zhì)在高速運(yùn)動中對葉
片撞擊產(chǎn)生。
3 轉(zhuǎn)輪焊縫裂紋處理方案及處理結(jié)果
通過對探傷發(fā)現(xiàn)裂紋進(jìn)行研究以及產(chǎn)生原因分
析，裂紋處理方案如下：
（1） 對深度在2 mm 以下的輕微裂紋采用裂紋
打磨消除以及裂紋周邊打磨圓滑處理；
（2） 對深度超過2 mm 以上的輕微裂紋及葉片
上的圓坑，采用裂紋打磨堆焊、焊縫打磨、拋光的方
法，最大限度保證轉(zhuǎn)輪原流道曲線。
（3） 對1 號機(jī)組11 號葉片、2 號機(jī)組6 號葉片
發(fā)現(xiàn)的深、長裂紋采用裂紋全長度范圍內(nèi)在不損壞
母材的情況下對裂紋打磨至葉片根部進(jìn)行消除并清
理，然后用與母材材質(zhì)相似的S-309L.16（ 3.2×350 mm）
型超低碳不銹鋼焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，然后對焊縫進(jìn)行打
磨和拋光，具體實(shí)施方案如下：
對焊縫裂紋進(jìn)行打磨、清理工作后，進(jìn)行局部加
熱工作，加熱溫度不得低于100 ℃，加熱采用火焰加
熱的方式；加熱工作完成后，開始進(jìn)行堆焊工作，為
確保焊接的質(zhì)量要求，在焊接過程中輔助工作人員
需隨時監(jiān)測和控制加熱部位溫度。補(bǔ)焊過程中的工
藝要求：焊接電流控制在100~130 A 之間；焊接引弧
時，不得任意進(jìn)行引弧，需在裂紋部位引弧，避免對
母材造成損壞；焊接后的部位不得有焊瘤、夾渣、氣
孔，并清除飛濺。裂紋修補(bǔ)24 h 后，檢查焊縫是否存
在氣孔等缺陷，如有缺陷須及時進(jìn)行處理。焊縫檢查
確定無誤后，進(jìn)行打磨處理。然后用PT 探傷法對焊
縫及周圍200 mm 的范圍進(jìn)行探傷檢查，確保焊接
部位無裂紋以及加熱區(qū)域無新增裂紋。最后對處理
過的焊縫進(jìn)行整體修圓和拋光處理，最大程度恢復(fù)
至原設(shè)計(jì)流線。
通過上述方案的實(shí)施，4 臺機(jī)組在探傷檢查發(fā)
現(xiàn)的焊縫裂紋、圓坑均得到了相應(yīng)的處理。
3 結(jié)束語
通過對紫坪埔電廠機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生原因分
析及對發(fā)現(xiàn)裂紋的處理，及時消除了發(fā)現(xiàn)的安全隱
患，但由于轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)方面原因以及水力學(xué)原因?qū)е?
產(chǎn)生的裂紋，不能從根本原因上進(jìn)行解決。而在今后
最有效減小或避免裂紋產(chǎn)生或是擴(kuò)大的方式就是在
機(jī)組運(yùn)行方式上進(jìn)行優(yōu)化，讓機(jī)組避開強(qiáng)振動區(qū)長
時間運(yùn)行，盡量在設(shè)計(jì)最優(yōu)工況下運(yùn)行。同時在機(jī)組
運(yùn)行中還應(yīng)加強(qiáng)對機(jī)組各部振動、擺度的在線監(jiān)測
以及在檢修中加強(qiáng)對轉(zhuǎn)輪及過流部件的檢查和缺陷
的跟蹤檢查處理。
參考文獻(xiàn)：
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中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011，（12）：73.
第4期 羅利均，等：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生原因分析及處理 81

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