構(gòu)皮灘水電站轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試

易 吉 林

（構(gòu)皮灘電站建設(shè)公司，貴州 余慶 554408）

1 前言

2 測(cè)試方法、原理

大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是在現(xiàn)場(chǎng)通過焊接技術(shù)加工制造的，在生產(chǎn)過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的存在是有害的，它將直接影響到結(jié)構(gòu)的工作壽命及正常使用。盡管目前大多數(shù)水輪機(jī)都需要通過退火處理以降低殘余應(yīng)力，但是對(duì)最終轉(zhuǎn)輪進(jìn)行殘余應(yīng)力的定量測(cè)試還是非常必要的。

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘口上游1.5km的烏江干流上，電站裝機(jī)容量3000MW（5×600MW），保證出力751.8MW，年發(fā)電量96.67億kW·h。主要任務(wù)是發(fā)電，兼顧航運(yùn)、防洪及其他。其轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，由于受運(yùn)輸條件限制，采取在構(gòu)皮灘工地現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)輪加工車間裝焊制造，將轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片單件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)輪加工車間，在轉(zhuǎn)輪加工車間完成裝配、焊接、熱處理、機(jī)加工、靜平衡，最終出廠。為了了解轉(zhuǎn)輪焊接區(qū)、熱影響區(qū)及附近區(qū)域相關(guān)部位退火后殘余應(yīng)力的情況，在轉(zhuǎn)輪加工車間對(duì)首臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪退火后進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試采用電測(cè)盲孔法，在轉(zhuǎn)輪反位工況下進(jìn)行。對(duì)13#葉片選取正壓側(cè)和負(fù)壓側(cè)的兩個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試。下面對(duì)測(cè)試方法、原理及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行介紹。

電測(cè)盲孔法測(cè)量水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片殘余應(yīng)力的原理是：被測(cè)構(gòu)件表面總可以看成是主應(yīng)力為σ1、σ2的二向應(yīng)力狀態(tài)，如果在測(cè)量處鉆一個(gè)小孔，殘余應(yīng)力就要釋放，使被測(cè)結(jié)構(gòu)在孔附近產(chǎn)生變形。預(yù)先在孔邊粘貼應(yīng)變片，測(cè)出應(yīng)變數(shù)值后，就可以由彈性理論公式計(jì)算出殘余應(yīng)力σ1、σ2的數(shù)值。由于鉆孔的直徑和深度都很小，如在本測(cè)試中孔徑為φ1.5mm，孔深為2.0mm，在測(cè)試結(jié)束后可以將其填平，因此并不會(huì)影響工件的使用。

對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片的殘余應(yīng)力，由于并不知道其主應(yīng)力方向，因此采用在預(yù)測(cè)工件表面粘貼特制的應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心鉆一個(gè)φ1.5×2.0mm 小孔，應(yīng)變花感受應(yīng)變變化，即釋放應(yīng)變，由應(yīng)變儀測(cè)讀出來(lái)。再通過主應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算出孔深范圍內(nèi)的平均主應(yīng)力σ1、σ2和主應(yīng)力方向角θ。

其中: E——被測(cè)材料的彈性模量，MPa，根據(jù)VSS提供資料，彈性模量為200GPa；

ε1,ε2,ε3——相應(yīng)各應(yīng)變片鉆孔后產(chǎn)生的釋放應(yīng)變；

σ1,σ2——分別為最大、最小主應(yīng)力，MPa；

θ——最大主應(yīng)力與1#片參考軸的夾角；

A、B——釋放系數(shù)?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，也可按下式進(jìn)行估算：

其中：γ——被測(cè)材料的波松比；

a——鉆孔半徑；

r——應(yīng)變片絲柵中心圓半徑。

通常在殘余應(yīng)力測(cè)試中A、B系數(shù)取實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的結(jié)果。在本測(cè)試中所采用的A=-0.07255，B=-0.1514是TJ-120-1.5-φ1.5應(yīng)變花在鋼材上鉆φ1.5盲孔實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的結(jié)果。

3 測(cè)試步驟

構(gòu)皮灘水電站首臺(tái)轉(zhuǎn)輪由16個(gè)葉片組成，葉片材料為鑄造不銹鋼。本次測(cè)試選擇13#葉片?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用YC－Ⅲ應(yīng)力測(cè)量?jī)x。

3.1 測(cè)點(diǎn)位置區(qū)域和測(cè)點(diǎn)布置

通過對(duì)上冠進(jìn)水邊的正、負(fù)壓側(cè)的曲面形狀的分析，可初步確定正、負(fù)壓側(cè)殘余應(yīng)力的分布區(qū)別不大，因此本次測(cè)試選取進(jìn)水邊的正壓側(cè)進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)點(diǎn)以焊縫熔合線為基準(zhǔn)，沿焊縫熔合線垂直方向向上下分別布置測(cè)點(diǎn)。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的測(cè)試位置以及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，具體的測(cè)試部位包括葉片上冠進(jìn)水邊正壓側(cè)、下環(huán)出水邊負(fù)壓側(cè)共兩個(gè)區(qū)域，各分別布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)總數(shù)為6個(gè)。具體測(cè)試區(qū)域和測(cè)點(diǎn)布置如圖1和圖2所示，測(cè)點(diǎn)位置說(shuō)明如表1。

圖1 13#葉片退火后上冠進(jìn)水邊正壓側(cè)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 13#葉片退火后下環(huán)出水邊負(fù)壓側(cè)測(cè)點(diǎn)布置

表1 13#葉片測(cè)試位置說(shuō)明表

3.2 測(cè)點(diǎn)表面處理

按照第3.1節(jié)確定的測(cè)試區(qū)域?qū)θ~片表面進(jìn)行拋光打磨后，測(cè)點(diǎn)表面用砂布交叉打磨。用劃針輕輕刻出粘貼應(yīng)變花的測(cè)點(diǎn)位置，清洗油污，除凈表面殘留金屬粉末，保持新鮮干凈的金屬表面。粘貼盲孔器固定腳處表面可以粗糙些，但也進(jìn)行了拋光打磨和表面油污的清洗。

3.3 應(yīng)變花的粘貼

（1）檢查應(yīng)變花，去除油污。所使用的應(yīng)變花阻值相差在0.5Ω內(nèi)。清洗應(yīng)變花粘貼面，去除粘貼面的油污。

（2）應(yīng)變花粘貼方向一致。應(yīng)變花1號(hào)應(yīng)變片對(duì)準(zhǔn)參考軸即平行于焊縫，并指向葉片的外側(cè)。

（3）焊接導(dǎo)線，連接應(yīng)變儀、溫度補(bǔ)償。應(yīng)變片連接線路采用半橋電路，每個(gè)應(yīng)變片分別進(jìn)行補(bǔ)償。

3.4 鉆孔、測(cè)試、數(shù)據(jù)采集記錄

利用殘余應(yīng)力專用鉆孔裝置進(jìn)行對(duì)中和鉆孔，首先調(diào)整并安裝鉆具。鉆具的對(duì)中以所鉆孔不超出應(yīng)變花中心第二基準(zhǔn)圓為判斷標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔前、后用放大鏡檢查鉆孔的對(duì)中情況。

用2mm深度控制塊定好鉆孔深度后，先將帶φ1.0mm麻花鉆的鉆桿插入盲孔器套筒里，進(jìn)行鉆孔。然后換用φ1.5mm鉆桿擴(kuò)孔。在鉆孔和擴(kuò)孔時(shí)，使用鉆孔專用調(diào)壓電源，輸出電壓為70V。鉆孔結(jié)束后2min記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖3 鉆孔前后檢查對(duì)中情況

4 轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

4.1 轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

測(cè)試得到的釋放應(yīng)變按照測(cè)試方法原理中的計(jì)算公式計(jì)算出第一主應(yīng)力σ1，第二主應(yīng)力σ2和方向角φ。等效應(yīng)力按照第四強(qiáng)度理論計(jì)算，計(jì)算公式如下：

殘余應(yīng)力測(cè)試使用儀器為YC－Ⅲ應(yīng)力測(cè)量?jī)x，儀器打印記錄的應(yīng)變就是釋放應(yīng)變，儀器的靈敏度系數(shù)為2.0，所使用的應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)為2.07，在計(jì)算時(shí)彈性模量帶入值為211×2.0/2.07=204 GPa即可。退火后殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果列于表2。

表2 首臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪13#葉片各測(cè)點(diǎn)退火后殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

4.2 轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)構(gòu)皮灘水電站首臺(tái)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了退火后殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試區(qū)選擇的是13#葉片的上冠進(jìn)水邊正壓側(cè)和下環(huán)出水邊負(fù)壓側(cè)。根據(jù)該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片機(jī)械性能基本信息得知[1]，13#葉片的屈服強(qiáng)度為550MPa，其二分之一為275MPa。

退火后13#葉片主應(yīng)力最大值為274.27MPa，接近于屈服強(qiáng)度的二分之一，位于上冠進(jìn)水邊的正壓側(cè)；等效應(yīng)力最大值為238.16MPa，平均等效應(yīng)力為113.46MPa。根據(jù)在龍灘等電站對(duì)轉(zhuǎn)輪焊前殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)[2]，殘余應(yīng)力最大值范圍在500～700MPa之間，由此可見構(gòu)皮灘電站轉(zhuǎn)輪通過退火較好地消除了葉片的焊接殘余應(yīng)力。

[1]曹衛(wèi)華. 構(gòu)皮灘水電站首臺(tái)轉(zhuǎn)輪退火后殘余應(yīng)力測(cè)試報(bào)告[R]. 北京: 北京中水科工程總公司北京機(jī)電研究所, 2007.

[2]孫鴻秉, 王懷茂. 龍灘水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的測(cè)試及評(píng)價(jià)[J]. 水力發(fā)電, 2007, (4): 41-43.