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水轮机转轮裂纹产生原因分析及处理

文档作者：罗利均1 李书丽2 文档来源： 1.四川省紫坪铺水力发电厂 2.西华师范大学		点击数：	更新时间： 2025年06月03日
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收稿日期：2013-04-01
作者简介：罗利均（1981-），男，工程师，从事水电站机组机械设备
检修及维护工作。
水轮机转轮裂纹产生原因分析及处理
罗利均1，李书丽2
（1.四川省紫坪铺水力发电厂，四川都江堰611830；2.西华师范大学，四川南充637000）
摘要：水轮机转轮是水轮机的重要组成部分，其轮毂与叶片间过渡区在力学性能上是整个转轮的薄弱环节，该区
域在机组运行中容易发生裂纹。本文介绍了紫坪铺水力发电厂水轮机转轮在检修中发现的裂纹情况以及对裂纹的
分析和处理，并提出电厂在机组运行方式以及维护检修方面的建议。
关键词：水轮机；转轮；裂纹；探伤检查
中图分类号：TK730.3+23 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2013）04-0079-03
紫坪铺水力发电厂位于四川省成都市西北60 km
的岷江上游都江堰市麻溪乡境内，电厂装有4 台19
万kW 的半伞式水轮发电机组，总装机容量76 万
kW，在系统中主要担任调峰、调频以及系统事故备
用任务。电厂机组最高水头132.76 m，额定水头100
m，最低水头68.4 m。电厂首台机组于2005 年10 月
投运，2006 年5 月4 台机组全部投产发电。
电厂机组水轮机型号为HLPO140-LJ-485，由
俄罗斯列宁格勒金属工厂（简称为“LMZ”）作为分包
商承担水轮机模型试验和转轮的制造。转轮采用铸
焊结构，转轮上冠、下环及叶片均采用抗空蚀、抗磨
蚀和良好焊接性能的08Cr15Ni4CuMo 不锈钢制造。
其中叶片采用模压方式，下环由不锈钢板卷制，转轮
上冠采用整体铸造。机组设计采用大轴中心孔补气
方式对机组尾水管进行补气，同时在机组顶盖上设
计有真空破坏阀补气，破坏机组在非最优工况运行
时尾水管内产生的涡带，减小汽蚀和涡带带来的振
动。
1 转轮裂纹情况
2012 年2、3 月份，在电厂3 号、4 号机组进行检
查性大修即B 修中，安排了对机组转轮焊缝探伤检
查工作。PT 探伤结果显示2 台机组在转轮叶片与上
冠、下环的部分连接焊缝处均存在长度在10 mm 以
内的细小裂纹。其中：3 号机组共有21 处裂纹，1 处
叶片圆坑，深度约2 mm，直径约4 mm。4 号机组共
有4 处裂纹，1 处叶片圆坑，圆坑直径约为15 mm、
深约3 mm。对PT 探伤发现的细小裂纹，均使用磨光
机对裂纹进行打磨检查裂纹深度，检查结果显示所
有裂纹深度均在2 mm 以内。
针对3 号、4 号机组在汛前检修中发现的转轮
焊缝裂纹情况，电厂高度重视并随即安排对1 号、2
号机组的转轮焊缝进行了探伤检查，探伤结果如下：
1 号机组用PT 探伤检查时共发现22 处裂纹，
进一步检查发现其中有17 处裂纹深度在2 mm 以
内，5 处裂纹深度超过2 mm。在深度超过2 mm 的裂
纹中，11 号叶片上的裂纹情况较最为严重，具体情
况如下：裂纹在11 号叶片出水口背面距根部约870 mm
处，PT 探伤裂纹长约10 mm。用磨光机打磨裂纹时
发现裂纹长度随着打磨深度增加而增加，打磨至叶
片根部时发现裂纹总长约200 mm，同时在叶片根部
发现未焊透钝边，钝边缝隙在0.5 mm 左右。用超声
波探伤检查钝边长度在1 450 mm，位置在叶片根部
离出水边根部约800 mm 到距进水边200 mm 区域。
2 号机组用PT 探伤检查时共发现17 处裂纹，
进一步检查发现其中有11 处裂纹深度在2 mm 以
内，6 处裂纹深度超过2 mm。在深度超过2 mm 的裂
纹中，6 号叶片上的裂纹情况较严重，具体为：裂纹
在6 号叶片进水边与转轮上冠连接焊缝处，距离进
水口约300 mm，PT 探伤裂纹长约500 mm。用磨光
机打磨、清理裂纹深度至叶片根部与下环连接处发
现未焊透钝边，超声波探伤检查钝边长度在1 400 mm
第36 卷第4 期水电站机电技术Vol.36 No.4
2013 年8 月Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station Aug.2013 79
左右，钝边位置同1 号机组11 号叶片探伤发现的钝
边位置。
2 转轮裂纹原因分析
针对探伤检查发现的问题，电厂组织转轮厂家
技术人员、电厂专家组进行裂纹情况研究，并对裂纹
和圆坑产生原因进行了深入分析。
（1）应力作用
在机组运行中，转轮在受到高压水压力和高转
速离心力的共同作用下，转轮叶片周边存在4 个高
应力区，位置主要分布在叶片进水边正面靠近上冠
处、叶片出水边正面的中下部，这些部位极易产生裂
纹[1]。通过电厂转轮探伤结果显示，转轮裂纹基本都
出现在转轮叶片与上冠、下环的连接焊缝处，而裂纹
位置基本都分布在叶片进水正面靠近上冠处和叶片
出水边背面的中下部。由此可判断，高应力作用是裂
纹产生的可能原因之一。
（2）结构方面
电厂转轮为上冠、叶片、下环单独制造，然后进
行组焊连接，焊接时在叶片的中部留钝边未全焊透
方式也是焊缝裂纹产生的可能原因之一。
（3）振动原因
水轮机转轮在运行中，因为水力振动原因也会
导致焊缝疲劳损伤产生裂纹。产生水力振动主要有
以下因素：水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔
汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。当机组在非设计工况
或过渡工况运行时，通过水轮机的水流状况恶化，水
力振动较为明显，造成的破坏也相对加剧[2]。
对此，查阅电厂于2009 年外委试验单位对全厂
4 台机组在不同水头不同负荷下做的机组变负荷试
验资料。该试验主要针对紫坪埔电厂水头变幅大（变
幅比达到1.94）以及在系统中承担调峰和调频作用
的实际情况，在不同的水头下通过对机组在运行中
各关键部位如上机架、定子机架、下机架、顶盖的水
平振动和垂直振动以及机组上导轴承、下导轴承、水
导轴承摆度的监测，从而确定机组负荷的一般振动
区、强振动区以及不宜长期运行区间。
下面以其中一个水头（109.74 m）下的变负荷试
验为例简述试验情况及试验结果：
试验过程：机组空载运行稳定后，负荷从0～
190 MW 逐步递增，并在各负荷下机组运行相对稳
定时进行各关键部位监测数据收集，试验记录如表
1 所示：
表1 3 号机组在109.74 m 毛水头下的变负荷试验记录
试验结果：
1）在0～40 MW 负荷区间，各部振摆幅值变化
较小。
2）强振动区主要集中在负荷为50～150 MW 之
间：在60 MW 负荷时，机组进入尾水管低频涡带振
动区；在80 MW 负荷时开始补气，机组各部振动较
强烈。
3）在150 MW 负荷之后，机组逐渐进入高效稳
定运行区域，随负荷的增加，各部振摆、尾水管内压
力脉动幅值呈减小趋势。
4）负荷达到设计负荷190 MW 时，各部振动、摆
度均较小，同时机组运行时的噪声也较小。
试验最终结果：机组在该水头下的优化负荷运
行区间为130 MW～190 MW。
在机组的整个变负荷试验（其他水头下）中，还
发现振动和摆度的幅值变化伴随机组运行水头偏离
设计水头（100 m）的大小而相应变化，高水头、低负
荷时，振动最为明显。
电厂机组长时间在80～130 MW 区间运行起调
峰和调频作用，而该负荷区间正好是机组的强振动
区，结合对试验报告的研究分析得出机组在非设计
工况下长时间运行是导致转轮产生裂纹的重要原
因。
综上分析，紫坪铺电厂机组转轮焊缝的裂纹是
由上述三点原因综合作用产生，而圆坑则是在机组
试验时间
2006/9/20
15:00
上游
水位
855.13
m
下游
水位
745.39
m
毛水头
109.74
m
最大
出力
190 MW最大出力时对应
开度
82.75％
最大出力时对应流
量
192.7 m3/s
1、全负荷范围内均未超过120μm 国标允许值
上机架 2、在0～90 MW 范围，振动超过100μm，70 MW 出力
时最大，为111.3μm；90～190 MW范围，振动小于100
μm。
1、全负荷范围内均超过30μm 国标允许值。
定子
机架2、50～70 MW范围，超标严重，62 MW 时最大，为55.16
μm。
1、全负荷范围内均未超过80μm 国标允许值。
下机架 2、50～70 MW范围，振动较大，62 MW 时最大，为63.06
μm。
1、水平振动：全负荷范围内均未超过140μm 标准允许
值。
振动
情况
顶盖
2、垂直振动：50～70 MW范围，振动较大，部分超过标
准值100μm，63 MW 时最大，为137.87μm。
摆度
情况
水导摆度全出力范围均未超过国标350μm 允许值，三部轴承摆
度变化趋势大致相同，摆度增大区域为60～130 MW，60～110 MW
水导摆度超过300μm。
80 水 电 站 机 电 技 术 第 36卷
主PT 的剩余电压线圈接成闭合三角形，在稳
态下三相电压对称，开口角回路无电压，可以将其
短接，同时，闭合三角形可以消除零序磁通（包括三
次谐波）导致正常运行时的三相电压不平衡和继电
器回路电压超标的现象。其电路如图2 所示。
5 结束语
经过咨询，国内生产抗谐振型电压互感器，采用
的原理也都是4PT 原理，本工程电压互感器柜已经
安装就位，现场落实了设备具体尺寸，核实了能安装
进去的最大裕量。大连第一互感器有限责任公司对
所采用的“ 4PT ”消谐方案进行了优化设计和试验
验证，并已获得专利权，设备外型尺寸满足现有开关
柜改造要求。
博湖西泵站改造工程，对母线电压互感器爆炸
的原因进行了认真分析后，采取了一系列工程措施，
调整6.3 kV 母线电压互感器为“ 4PT ”接线型式，重
新调整6.3 kV 母线电压互感器柜内熔断器的额定
电流整定值为0.5 A。工程运行至今一切正常。本工
程实例可为同类水利水电工程在解决谐振过电压方
面积累一定的经验。
参考文献：
[1]陈慈宣.过电压保护原理与运行技术[M].北京：中国电力出
版社，2002.
[2]DL/T 620-1997.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].
渊上接第78 页冤
运行时，水流中混杂的坚硬物质在高速运动中对叶
片撞击产生。
3 转轮焊缝裂纹处理方案及处理结果
通过对探伤发现裂纹进行研究以及产生原因分
析，裂纹处理方案如下：
（1） 对深度在2 mm 以下的轻微裂纹采用裂纹
打磨消除以及裂纹周边打磨圆滑处理；
（2） 对深度超过2 mm 以上的轻微裂纹及叶片
上的圆坑，采用裂纹打磨堆焊、焊缝打磨、抛光的方
法，最大限度保证转轮原流道曲线。
（3） 对1 号机组11 号叶片、2 号机组6 号叶片
发现的深、长裂纹采用裂纹全长度范围内在不损坏
母材的情况下对裂纹打磨至叶片根部进行消除并清
理，然后用与母材材质相似的S-309L.16（ 3.2×350 mm）
型超低碳不锈钢焊条进行补焊，然后对焊缝进行打
磨和抛光，具体实施方案如下：
对焊缝裂纹进行打磨、清理工作后，进行局部加
热工作，加热温度不得低于100 ℃，加热采用火焰加
热的方式；加热工作完成后，开始进行堆焊工作，为
确保焊接的质量要求，在焊接过程中辅助工作人员
需随时监测和控制加热部位温度。补焊过程中的工
艺要求：焊接电流控制在100~130 A 之间；焊接引弧
时，不得任意进行引弧，需在裂纹部位引弧，避免对
母材造成损坏；焊接后的部位不得有焊瘤、夹渣、气
孔，并清除飞溅。裂纹修补24 h 后，检查焊缝是否存
在气孔等缺陷，如有缺陷须及时进行处理。焊缝检查
确定无误后，进行打磨处理。然后用PT 探伤法对焊
缝及周围200 mm 的范围进行探伤检查，确保焊接
部位无裂纹以及加热区域无新增裂纹。最后对处理
过的焊缝进行整体修圆和抛光处理，最大程度恢复
至原设计流线。
通过上述方案的实施，4 台机组在探伤检查发
现的焊缝裂纹、圆坑均得到了相应的处理。
3 结束语
通过对紫坪埔电厂机组转轮裂纹的产生原因分
析及对发现裂纹的处理，及时消除了发现的安全隐
患，但由于转轮结构方面原因以及水力学原因导致
产生的裂纹，不能从根本原因上进行解决。而在今后
最有效减小或避免裂纹产生或是扩大的方式就是在
机组运行方式上进行优化，让机组避开强振动区长
时间运行，尽量在设计最优工况下运行。同时在机组
运行中还应加强对机组各部振动、摆度的在线监测
以及在检修中加强对转轮及过流部件的检查和缺陷
的跟踪检查处理。
参考文献：
[1] 史功赫，韩文达，刘铁军，等.浅谈水轮机转轮裂纹修复[J].
科技资讯，2011，（23）：41.
[2] 胡佳琪.浅析水力原因引起的水轮机振动及其处理方法[J].
中国新技术新产品，2011，（12）：73.
第4期 罗利均，等：水轮机转轮裂纹产生原因分析及处理 81

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