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摘要：对龙羊峡水电站机组在首次高水头运行后发现转轮叶片裂纹的具体情况和特点进行了介绍与分析，得出高水头运行是水轮机转轮叶片裂纹产生原因之一，但不是主要原因。水轮机转轮叶片裂纹产生的主要原因是多方面综合而成的。提出水轮机转轮叶片裂纹处理的建议。
关键词：高水头；转轮叶片裂纹；特点分析；处理建议
中图分类号：TM622 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）12-0264-02
龙羊峡水电站1987～1989年四台机组先后投产发电，机组额定运行水头122m。自投产以来机组运行水头长期偏低，2005年8月中旬起水库水位开始超过历年最高值，水轮机的运行毛水头超过130m；2005年11月底前后库水位达到当期最高，水轮机毛水头达到145.75m；2006年5月，上游水位回落到当期最高水位以下，水轮机的毛水头也降低到130m以下，这段高水头运行期的中期和后期，检查首次发现1号水轮机转轮有5片叶片开裂，3号机有1片叶片开裂，2006年10月在4号机上也首次发现了3条裂纹。
针对机组运行近20年且经受首次高水头运行后转轮叶片出现多条裂纹的现象，对水轮机高水头运行与转轮产生裂纹的关系进行简要分析如下：
一、龙羊峡水轮机转轮叶片裂纹情况和特点
1.多数裂纹出现在高水头运行之后
最早发现的转轮叶片裂纹都是在高水头运行的后期，即由最高水头向下回落的过程中，如表1中所示1号机和3号机的情况。这显示出，裂纹的出现与约半年的高水头运行有一定关系。
2.裂纹出现在传统部位
裂纹都出现在叶片出水边与上冠和下环相交的部位，多数都在焊接热影响区。[1]这显示出裂纹的产生符合一般规律，即出现在静应力和动应力都比较大的部位，也说明叶片裂纹主要不是由偶然因素（如材料缺陷、制造过程中产生的缺陷等）所引起。
3.产生裂纹的叶片是少数
根据当时黄河电检中心的检测结果，统计出4台水轮机裂纹的条数和总长度数据，如表1所示。数据显示产生裂纹的叶片是少数的，最多只有5条。
4.各台机组的裂纹情况有明显的差别
如表1所示，截至表中的检查时间，1号机有5个叶片出现裂纹，3号机1个叶片出现裂纹，另2台水轮机没有出现裂纹。这表明，它们没有一个共同的、主要裂纹原因。
5.在比较低的水头下运行叶片裂纹仍然出现
2007年7月在1号机检修中发现，高水头运行后补焊过的转轮上在叶片出水边靠近上冠处重又出现五条贯穿性裂纹，其中三个叶片是高水头运行后补焊过的，且裂纹出现在叶片的同样部位，另有两个新开裂的叶片。而此期间，水轮机的运行毛水头均在136m以下，且大部分在130m水头以下，与高水头运行前的较高毛水头相当。
6.裂纹都出现在水轮机累积运行17～19年之后
4台机组分别在1987～1989年投入运行，到2006年止已累积运行了17～19年，在这些年的运行中水轮机转轮叶片都没有出现裂纹，在这个基础上又经过约半年的高水头运行，叶片裂纹现象才相继出现了。这是龙羊峡水轮机转轮叶片裂纹出现的一个十分重要的隐性特点。
二、不同工况对水轮机转轮叶片裂纹的影响因素分析
1.高水头对叶片裂纹的影响有限
机组转轮叶片首次出现裂纹时机组运行了近20年，期间高水头持续运行的时间并不长。从2005年8月19日水头开始升高（毛水头超过130m），3个月后，即当年11月19日达到最高毛水头145.79米之后缓慢下降，到2006年3月降低到约136m，5月降低到129m。期间毛水头超过130m的持续时间总计为8个月，其中在140m以上运行的时间不超过4个月。
一些在高水头运行期间没有开裂的叶片，在水头已经降低到过去的水平（毛水头约130m以下）运行约1年后裂纹仍然出现了，这显然主要不是水头影响的结果。
在高水头情况下作用在叶片上的水力动载荷会有所增大，但增大的比例比较有限。高水头时，如果机组经常在大负荷情况下运行，其水力稳定性应是比较好的，叶片的动应力也比较低，有利于避免叶片裂纹的出现。
综上所述：说明高水头运行不是导致叶片裂纹的主要原因。
2.在低水头情况下运行裂纹现象同样出现
1号机在高水头运行后出现的裂纹在高水头运行的末期（2006年4月）进行了补焊，但在运行一年多以后（2007年7月）又有5个叶片出现了裂纹，其中两个叶片过去还没有开裂过；4号机在高水头运行后的2006年10月检查时发现3个叶片出现了裂纹，而在2005年12月高水头运行后期还没有发现裂纹。
以上情况表明：叶片裂纹的产生主要不是运行水头高低的影响；随运行时间的延续，裂纹现象可能将越来越严重，即越来越多的转轮叶片将会先后不同的出现裂纹，裂纹条数增多和裂纹长度增大；要遏制叶片裂纹的出现还需要采取进一步有针对性的措施。
3.水头的影响
影响龙羊峡水轮机转轮叶片的动应力的水力因素主要有：转轮进口水流的冲击和次生水冲击；尾水管涡带压力脉动；是否存在类转频压力脉动尚需进一步验证。可以肯定的是，不存在卡门涡共振现象。
随水头的升高，机组的最大负荷增大，最大负荷下转轮叶片的静应力和动应力都将有所提高，而实际动载荷的大小还和机组当时负荷情况有关。
如果机组经常在大负荷或满负荷情况下运行，上面所述的各种不稳定水流情况将会减小到最低程度，叶片所承受的动载荷不会很大，这将有利于避免叶片裂纹的出现。
4.运行工况的影响
正常情况下，水轮机在不同工况下的叶片动应力是不同的。基本规律是：水流状态不好时，叶片承受的动应力比较大。[2]因此，运行工况不同、在不同工况下运行的时间长短不同对转轮叶片裂纹的产生都是有影响的，影响的大小是不是裂纹产生的主要原因则需要进行具体分析。 利用电站运行前10年不同时段统计的“运行小时”和“利用小时”进行了比值计算，计算结果列于表2中。根据这些比值推断，龙羊峡机组在小负荷区（45%额定负荷以下）运行的时间可能占运行小时数的1/3或以上。
各机组的空蚀情况统计结果表明，大部分空蚀区都不在叶片的“传统”低压区（翼型空蚀区），这也间接说明机组在较低负荷下运行的时间比较长。
所有这些都表明机组在小负荷区的运行时间比较长，会对叶片的裂纹现象有一定的促进作用。
三、基本结论
运行年代久远叶片材料的剩余疲劳强度减小，逐渐接近或已经达到材料的剩余疲劳强度极限（临界点），这是裂纹发生的基本原因。水头升高可能使转轮叶片承受的最大动载荷有所增大（但与当时机组的出力有关），可能成为促使部分剩余疲劳强度接近其极限的叶片发生裂纹。比较长时间的小负荷运行可能是导致转轮叶片疲劳强度降低的重要影响因素。今后机组即使不在所谓高水头情况下运行，仍然可能出现转轮叶片裂纹现象，并可能趋于严重。
四、关于处理措施的建议
1.补焊
进一步提高补焊质量，减小焊接应力，提高焊接效果。
2.裂纹部位局部加强
如果常规焊接不能消除裂纹的再发生，可考虑采用裂纹部位局部加强的措施：如增大根部过渡圆弧的半径；用焊接的办法加厚裂纹部位；用同样材料的轧制钢板替代裂纹部位的材料，同时使厚度适当增大。[3]
3.减少机组在小负荷区运行的时间
在可能的条件下尽量减少机组在小负荷工况（50%以下）下运行的时间，可在很大程度上减小转轮叶片承受的动载荷，减少叶片发生疲劳裂纹的可能性，延长转轮的疲劳寿命。
4.加强监测
在今后运行、检修中要加强监测，及早发现问题并及时处理。
参考文献：
[1]毛汉领.混流式水轮机转轮叶片裂纹监测研究[M].北京：中国水利水电出版社，2009：154-159.
[2]周厚生，汪俊.水轮机组安装与检修[M].郑州：黄河水利出版社，2009：129-134.
[3]戴起勋.金属材料学[M].北京：化学工业出版社，2005：87-93.
（责任编辑：王祝萍）
关键词：高水头；转轮叶片裂纹；特点分析；处理建议
中图分类号：TM622 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）12-0264-02
龙羊峡水电站1987～1989年四台机组先后投产发电，机组额定运行水头122m。自投产以来机组运行水头长期偏低，2005年8月中旬起水库水位开始超过历年最高值，水轮机的运行毛水头超过130m；2005年11月底前后库水位达到当期最高，水轮机毛水头达到145.75m；2006年5月，上游水位回落到当期最高水位以下，水轮机的毛水头也降低到130m以下，这段高水头运行期的中期和后期，检查首次发现1号水轮机转轮有5片叶片开裂，3号机有1片叶片开裂，2006年10月在4号机上也首次发现了3条裂纹。
针对机组运行近20年且经受首次高水头运行后转轮叶片出现多条裂纹的现象，对水轮机高水头运行与转轮产生裂纹的关系进行简要分析如下：
一、龙羊峡水轮机转轮叶片裂纹情况和特点
1.多数裂纹出现在高水头运行之后
最早发现的转轮叶片裂纹都是在高水头运行的后期，即由最高水头向下回落的过程中，如表1中所示1号机和3号机的情况。这显示出，裂纹的出现与约半年的高水头运行有一定关系。
2.裂纹出现在传统部位
裂纹都出现在叶片出水边与上冠和下环相交的部位，多数都在焊接热影响区。[1]这显示出裂纹的产生符合一般规律，即出现在静应力和动应力都比较大的部位，也说明叶片裂纹主要不是由偶然因素（如材料缺陷、制造过程中产生的缺陷等）所引起。
3.产生裂纹的叶片是少数
根据当时黄河电检中心的检测结果，统计出4台水轮机裂纹的条数和总长度数据，如表1所示。数据显示产生裂纹的叶片是少数的，最多只有5条。
4.各台机组的裂纹情况有明显的差别
如表1所示，截至表中的检查时间，1号机有5个叶片出现裂纹，3号机1个叶片出现裂纹，另2台水轮机没有出现裂纹。这表明，它们没有一个共同的、主要裂纹原因。
5.在比较低的水头下运行叶片裂纹仍然出现
2007年7月在1号机检修中发现，高水头运行后补焊过的转轮上在叶片出水边靠近上冠处重又出现五条贯穿性裂纹，其中三个叶片是高水头运行后补焊过的，且裂纹出现在叶片的同样部位，另有两个新开裂的叶片。而此期间，水轮机的运行毛水头均在136m以下，且大部分在130m水头以下，与高水头运行前的较高毛水头相当。
6.裂纹都出现在水轮机累积运行17～19年之后
4台机组分别在1987～1989年投入运行，到2006年止已累积运行了17～19年，在这些年的运行中水轮机转轮叶片都没有出现裂纹，在这个基础上又经过约半年的高水头运行，叶片裂纹现象才相继出现了。这是龙羊峡水轮机转轮叶片裂纹出现的一个十分重要的隐性特点。
二、不同工况对水轮机转轮叶片裂纹的影响因素分析
1.高水头对叶片裂纹的影响有限
机组转轮叶片首次出现裂纹时机组运行了近20年，期间高水头持续运行的时间并不长。从2005年8月19日水头开始升高（毛水头超过130m），3个月后，即当年11月19日达到最高毛水头145.79米之后缓慢下降，到2006年3月降低到约136m，5月降低到129m。期间毛水头超过130m的持续时间总计为8个月，其中在140m以上运行的时间不超过4个月。
一些在高水头运行期间没有开裂的叶片，在水头已经降低到过去的水平（毛水头约130m以下）运行约1年后裂纹仍然出现了，这显然主要不是水头影响的结果。
在高水头情况下作用在叶片上的水力动载荷会有所增大，但增大的比例比较有限。高水头时，如果机组经常在大负荷情况下运行，其水力稳定性应是比较好的，叶片的动应力也比较低，有利于避免叶片裂纹的出现。
综上所述：说明高水头运行不是导致叶片裂纹的主要原因。
2.在低水头情况下运行裂纹现象同样出现
1号机在高水头运行后出现的裂纹在高水头运行的末期（2006年4月）进行了补焊，但在运行一年多以后（2007年7月）又有5个叶片出现了裂纹，其中两个叶片过去还没有开裂过；4号机在高水头运行后的2006年10月检查时发现3个叶片出现了裂纹，而在2005年12月高水头运行后期还没有发现裂纹。
以上情况表明：叶片裂纹的产生主要不是运行水头高低的影响；随运行时间的延续，裂纹现象可能将越来越严重，即越来越多的转轮叶片将会先后不同的出现裂纹，裂纹条数增多和裂纹长度增大；要遏制叶片裂纹的出现还需要采取进一步有针对性的措施。
3.水头的影响
影响龙羊峡水轮机转轮叶片的动应力的水力因素主要有：转轮进口水流的冲击和次生水冲击；尾水管涡带压力脉动；是否存在类转频压力脉动尚需进一步验证。可以肯定的是，不存在卡门涡共振现象。
随水头的升高，机组的最大负荷增大，最大负荷下转轮叶片的静应力和动应力都将有所提高，而实际动载荷的大小还和机组当时负荷情况有关。
如果机组经常在大负荷或满负荷情况下运行，上面所述的各种不稳定水流情况将会减小到最低程度，叶片所承受的动载荷不会很大，这将有利于避免叶片裂纹的出现。
4.运行工况的影响
正常情况下，水轮机在不同工况下的叶片动应力是不同的。基本规律是：水流状态不好时，叶片承受的动应力比较大。[2]因此，运行工况不同、在不同工况下运行的时间长短不同对转轮叶片裂纹的产生都是有影响的，影响的大小是不是裂纹产生的主要原因则需要进行具体分析。 利用电站运行前10年不同时段统计的“运行小时”和“利用小时”进行了比值计算，计算结果列于表2中。根据这些比值推断，龙羊峡机组在小负荷区（45%额定负荷以下）运行的时间可能占运行小时数的1/3或以上。
各机组的空蚀情况统计结果表明，大部分空蚀区都不在叶片的“传统”低压区（翼型空蚀区），这也间接说明机组在较低负荷下运行的时间比较长。
所有这些都表明机组在小负荷区的运行时间比较长，会对叶片的裂纹现象有一定的促进作用。
三、基本结论
运行年代久远叶片材料的剩余疲劳强度减小，逐渐接近或已经达到材料的剩余疲劳强度极限（临界点），这是裂纹发生的基本原因。水头升高可能使转轮叶片承受的最大动载荷有所增大（但与当时机组的出力有关），可能成为促使部分剩余疲劳强度接近其极限的叶片发生裂纹。比较长时间的小负荷运行可能是导致转轮叶片疲劳强度降低的重要影响因素。今后机组即使不在所谓高水头情况下运行，仍然可能出现转轮叶片裂纹现象，并可能趋于严重。
四、关于处理措施的建议
1.补焊
进一步提高补焊质量，减小焊接应力，提高焊接效果。
2.裂纹部位局部加强
如果常规焊接不能消除裂纹的再发生，可考虑采用裂纹部位局部加强的措施：如增大根部过渡圆弧的半径；用焊接的办法加厚裂纹部位；用同样材料的轧制钢板替代裂纹部位的材料，同时使厚度适当增大。[3]
3.减少机组在小负荷区运行的时间
在可能的条件下尽量减少机组在小负荷工况（50%以下）下运行的时间，可在很大程度上减小转轮叶片承受的动载荷，减少叶片发生疲劳裂纹的可能性，延长转轮的疲劳寿命。
4.加强监测
在今后运行、检修中要加强监测，及早发现问题并及时处理。
参考文献：
[1]毛汉领.混流式水轮机转轮叶片裂纹监测研究[M].北京：中国水利水电出版社，2009：154-159.
[2]周厚生，汪俊.水轮机组安装与检修[M].郑州：黄河水利出版社，2009：129-134.
[3]戴起勋.金属材料学[M].北京：化学工业出版社，2005：87-93.
（责任编辑：王祝萍）