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大型水轮机转轮叶片裂纹产生的原因分析与处理

文档作者：张健文档来源：国电大渡河检修安装有限公司		点击数：	更新时间： 2025年11月03日
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上一篇：水轮机过速事故的案例回顾及原因分析

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２０１５ 年第９ 期
２０１５ Ｎｕｍｂｅｒ ９
水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＡＮＤ ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ
总第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 作者简介：张　健，男，助理工程师，从事水电站机械设备检修工作。
大型水轮机转轮叶片裂纹产生的
原因分析与处理
张　健
（国电大渡河检修安装有限公司，四川乐山　６１４９００）
摘要：瀑布沟水电站安装有６ 台单机６００ ＭＷ 大型水轮发电机组，在进行机组Ｂ 级检修时发现了多个转轮叶片出现了
不同程度的贯穿性裂纹，叶片发生了变形，为此，对水轮机转轮叶片产生裂纹的原因进行了分析，提出了处理意见。
关键词：瀑布沟水电站；转轮叶片；裂纹处理
中图分类号：ＴＫ７３０．３ ＋２３：ＴＫ７３０．８　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：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
　　瀑布沟水电站位于大渡河中游，安装６ 台单机容
量６００ ＭＷ 水轮发电机组，其中２、４、６ 号机组水轮机
转轮由东方电机股份有限公司生产，转轮型号为
ＨＬＤ４１６Ａ －ＬＪ －６９６，额定出力为６１１ ＭＷ，额定转速
为１２５ ｒ／ｍｉｎ，额定水头为１５６．７ ｍ，转轮上冠、下环和
叶片都采用铸钢ＡＳＴＭ Ａ７４３．ＣＢ －６ＮＭ，其中叶片采
用ＶＯＤ 炉外精炼技术制造，各件经数控机床加工后组
焊成两瓣整体，转轮共有１５ 个Ｘ 形叶片，每个叶片重
７．０２ ｔ。
瀑布沟２ 号机组运行５ ａ 后，在进行转轮检查时
发现３ 条肉眼可见裂纹，１ 号叶片出现了变形，其他叶
片裂纹均出现在出水边靠近泄水锥叶片本体上。１ 号
叶片背面裂纹长度为７２０ ｍｍ，叶片正面裂纹长度为
６５０ ｍｍ，裂纹错牙为１２ ｍｍ；２ 号叶片背面裂纹长度
７０ ｍｍ，叶片正面裂纹长度为４０ ｍｍ，未出现错牙现
象；１０ 号叶片背面裂纹长度４０ ｍｍ，叶片正面裂纹长
度３５ ｍｍ。
１　转轮裂纹产生的原因
1．1　转轮设计问题
瀑布沟东电机组转轮采用Ｘ 形叶片，若Ｘ 形叶片
与上冠、下环间的过渡R 角设计值较小就引起转轮的
应力集中。
1．2　转轮铸造缺陷及焊接缺陷
转轮铸造产生的缺陷会在外部应力的作用下造成
裂纹源，是造成转轮裂纹的根本原因。Ｘ 形叶片与转
轮上冠、下环的厚度相差较大，转轮铸造过后在进行冷
却过程中就会产生气孔、疏松等。
1．3　转轮应力集中区域
水轮发电机组转轮的应力区主要分布在叶片的周
边上，所以应力集中是造成转轮裂纹的原因之一。
1．4　ＡＧＣ 投入的影响
瀑布沟电站机组投入了ＡＧＣ，ＡＧＣ 的投入使得机
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张　健：大型水轮机转轮叶片裂纹产生的原因分析与处理２０１５ 年９ 月
组负荷调节频繁，机组长期处于低负荷区域运行，而低
负荷区域是机组的振动区域，振动区域流道内水流不
稳定［１］ ，机组的摆度及振动会随之增加，转轮在交变
应力的作用下就出现了疲劳现象，加之转轮的其他设
计等综合因素，使转轮产生了裂纹。
ＡＧＣ 投入后，据统计瀑布沟２ 号水轮发电机组在
１ ａ 内机组负荷调节达到了２０ ０００ 次，频繁的负荷调
节使得机组工况跨区域运行，在冬季大渡河来水量较
小，单台机组所带负荷较少，就出现机组在振动区运
行［２］ ，加上东电机组转轮集中应力过大，因此叶片产
生裂纹。
２　裂纹处理
2．1　裂纹清理
裂纹尖端前方２０ ｍｍ 用碳弧气刨刨至裂孔，使用
碳弧气刨的方法清理裂纹，打磨碳弧气刨表面，去除碳
弧气刨产生的渗碳层，须见金属光泽，按图１ 预制焊接
坡口，根据R 和角度α以方便施焊来确定。
图1　裂纹清理及预制焊接坡口示意图
2．2　补焊工艺
叶片补焊可采用２ 种方法：①用同种材料进行热
焊，这种方法工艺较复杂，要进行焊前预热和焊后热处
理，焊接条件较恶劣，但是由于补焊焊缝的填充材料和
被补焊母材基本一致，因此，在使用过程中出现问题的
可能性较小。②用奥氏体焊条进行冷焊。冷补焊工艺
简单，生产周期短。冷补焊焊接过程中不发生相变，且
焊缝的塑性较好。因此，该方案可不预热，简化了补焊
工艺，避免了因铸钢件受到大的热作用，而减小了被焊
件的应力和变形。奥氏体焊条冷焊工艺简单，但是补
焊金属强度低于母材，且由于不预热冷焊，近缝区的冷
却速度较大，不可避免在补焊的近缝区产生淬硬组织，
给补焊接头的性能带来不利影响。
焊接过程中，除打底层和盖面层之外，其余每层焊
后立即进行锤击消除应力，焊接过程中预热，焊缝机器
周围５０ ｍｍ，采用电加热片进行预热，预热温度为
８０℃，道间温度为１８０℃，焊缝采用多层多道焊，焊接
顺序如图２ 所示；叶片正面焊接结束后，背面进行清
根，使用碳弧气刨清根，并打磨渗碳层，如图３ 所示。
外观观察确认清根表面清理干净，按ＡＳＭＥ 标准进行
ＰＴ 探伤，焊接背面坡口，采用多层多道焊，如图４
所示。
图2　焊接顺序
图3　打磨渗碳层
图4　背面坡口焊接
瀑布沟２ 号机组１ 号叶片裂纹存在着错牙现象，
叶片仰焊位置清理后进行搭焊，焊接分为３ 段进行，焊
后用电加热对焊缝加热，温度为２６０℃，保温２ ｈ，然后
缓冷至室温，冷却后对焊缝表面进行修磨，粗糙度不低
于原表面。
2．3　焊后残余应力测试
瀑布沟２ 号机组转轮裂纹处理后，水利部水工金
属结构质量检验测试中心测试人员对瀑布沟２ 号机组
叶片进行了残余应力测试。本次残余应力测试采用Ｘ
（下转第４２ 页）
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水电与新能源２０１５ 年第９ 期
场可根据实际需要进行拼接、切割。除此之外，新型密
封条材质除有一般聚氨酯的性能外，还有较好的机械
加工性能、优异的耐水解性能（一般聚氨酯耐水解稳
定性差）、优异的耐磨性能（约为天然橡胶的３ ～５
倍）、较高的软化温度（可达２７０℃）、较低的玻璃化温
度（约－８０℃）、优异的机械性能（邵氏硬度、撕裂强
度、拉伸强度、伸长率等）。
新型密封条在安装过程中及运行一段时间后也存
在一些问题和可以改进的地方，如在导叶立面密封改
造过程中，由于密封槽表面凹凸不一，安装过程中密封
不锈钢条很难完整地插入聚醚聚氨酯密封条中；经多
年运行，活动导叶底部存在严重空蚀，导叶下端金属密
封安装后不能与活动导叶密封槽底部完全贴合，容易
发生空蚀，可考虑采取其他抗空蚀材料，或更换为质地
软、耐压性能高的金属材料。
３　结　语
葛洲坝机组导叶立面密封先后进行了两次改造，
改造后导叶全关状态下的封水性能、导水机构的安全
运行寿命以及导叶密封条的完整度都得到提高，保障
了机组的顺利实现开、停机，减少了水力损失，增加了
发电效益。
新型组合式密封的结构和密封性能基本上满足了
设计要求，安装难度低，但由于活动导叶多年运行后密
封槽表面凹凸不平，宽窄不一，导叶下端部存在严重空
蚀，致使其密封性能难以保证。因此，对于老式橡胶条
密封脱落缺陷，在不具备吊导叶的条件下，可采用新型
组合式密封作为临时处置措施；而在机组大修期间，通
过吊出活动导叶进行补焊修复，对其实施单侧不锈钢
压板式的密封结构改造，能够从根本上解决因密封条
易脱落，导致机组停机蠕动的问题。
参考文献：
［１］郑源， 鞠小明， 程云山．水轮机［Ｍ］．北京： 中国水利水电
出版社， ２００７
［２］刘国兵， 张敏， 陈诚．葛洲坝电站１２５ＭＷ 水轮机组导叶立
面密封改造研究［Ｊ］．科技创新导报， ２０１０（１９）： ９７ －９８
［３］宾斌， 江晓林， 何凯．中低水头电站水轮机活动导叶密封
改造研究［Ｊ］．水电与新能源， ２０１１（５）： ２９ －３２
（上接第３９ 页）
射线衍射法，残余应力测试仪为加拿大生产的ＰＲＯＴＯ
ｉＸＲＤ 型Ｘ 射线应力测定仪。本次残余应力测试共对
５ 个被测工件的１０ 个测试区域进行了测试，测试结果
见表１。
表1　瀑布沟2 号机组片残余应力测试结果简表ＭＰａ　
测区 测点１ 测点２ 测点３ 测点４ 测点５ 测点６ 测点７ 叶片１４ －１ １２２ １３７ －１６０ －１８７ －１６４ －１６３ －２３５ 叶片１４ －２ －２５１ －１９７ －１５６ －２７２ －７９ －１３３ －１０８ 叶片２ －１ －４４ －３４ －４ －１４９ －２２４ －１６２ －１９４ 叶片２ －２ －１８１ －２０１ －１５４ －１７１ －１９４ －２３２ －２４１ 焊缝１ －１ －２０９ －１３３ －１１９ －５３ ３２ －１８７ －１３５ 焊缝１ －２ ３１７ ３０３ ３８２ ３９８ ２２５ ３３１ ２３４ 焊缝２ －１ －１４８ －１３３ －１２１ －１４０ －２６６ －３１０ －１９７ 焊缝２ －２ －１９０ －４１６ －２７６ －１５５ －２０６ －１６７ －１９６ 焊缝１０ －１ １２６ １４６ －２０６ －３２４ －１０２ －６９ －２９５ 焊缝１０ －２ ２２０ １９５ ２２２ ３２７ １４６ ２６ －６３ 注：①焊缝１、焊缝２ 分别为１、２ 号叶片与进水锥连接处的焊
缝，焊缝１０ 为１０ 号叶片与下环连接处焊缝。叶片１４ 为本次未
损坏、未处理的叶片，数据用来与其他进行对比。②表中数值
正号为拉应力，负号为压应力。
３　结　语
１）近年来，水轮机转轮的叶片裂纹频繁发生，尤
其是在大型机组上也出现了裂纹缺陷，严重威胁水电
厂的安全经济运行，有必要在机组检修时对应力集中
等易于产生裂纹的部位进行无损探伤检查，对发现的
缺陷及时处理，把事故消灭在萌芽状态，保证机组的安
全经济运行。
２）瀑布沟２ 号机组转轮裂纹处理后，对叶片进行
了残余应力测试，经补焊处理后的叶片与未处理的叶
片相比，其残余应力在相同的数量级范围内，说明处理
工艺还是比较得当的。
３）瀑布沟２ 号机组水轮机转轮裂纹处理工艺，也
可供其他类似大型水轮机转轮裂纹处理参考借鉴。
参考文献：
［１］何捍东．天生桥一级水电站水轮机振动原因分析［Ｊ］．红
水河， ２００１， ２０（４）： ６１ －６５
［２］陶星明， 刘光宁．关于混流式水轮机水力稳定性的几点建
议［Ｊ］．大电机技术， ２００２（２）： ４０ －４４
４２

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