環(huán)芯法和X射線法測量大型輪盤鍛件的殘余應(yīng)力

王慶偉

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

轉(zhuǎn)子鍛件是汽輪機組的核心部件，隨著機組容量增大，轉(zhuǎn)子鍛件的尺寸及重量不斷增加，如百萬千瓦級核電汽輪機整鍛低壓轉(zhuǎn)子需要600 t級鋼錠鍛制，國內(nèi)乃至全球具備這種特大型鍛件穩(wěn)定制造能力的重機廠亦是屈指可數(shù)。較整鍛結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子而言，核電低壓焊接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子具有運行應(yīng)力低，單個鍛件尺寸小、易于制造及超聲檢測可靠性高等優(yōu)點，被世界上多家汽輪機制造廠商選用[1-3]。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般要求，鍛件殘余應(yīng)力不得超過其屈服強度下限值的8%[1]，核電焊接低壓轉(zhuǎn)子大型輪盤鍛件屈服強度要求不低于700 MPa，而殘余應(yīng)力要求不超過40 MPa，較行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。因此，獲得符合標(biāo)準(zhǔn)要求的殘余應(yīng)力是輪盤鍛件研制的難點之一。

殘余應(yīng)力的測試方法很多，目前行業(yè)內(nèi)比較認(rèn)可的有切環(huán)法、盲孔法、環(huán)芯法等機械方法，也有X射線法、中子衍射法、超聲波法、磁性法等物理方法[2]。本文介紹的輪盤鍛件采購技術(shù)規(guī)范要求按JB/T 8888—1999采用環(huán)芯法測定，而本產(chǎn)品作為國產(chǎn)化首件，輔助采用了X射線法，共同證明鍛件的殘余應(yīng)力確實處于較低水平。

1 測試方法

1.1 環(huán)芯法

環(huán)芯法是一種測試殘余應(yīng)力的機械方法，JB/T 8888—1999有詳細(xì)介紹。環(huán)芯法的測試原理是通過對工件表面銑環(huán)槽，使測試區(qū)域與其余周邊本體“隔離”開，殘余應(yīng)力得以釋放，粘貼在工件表面的應(yīng)變片將變化的電信號模擬成應(yīng)變值。測量前，需將應(yīng)變片粘貼在工件表面之上，通過用環(huán)形刀頭包圍應(yīng)變片在工件表面銑環(huán)槽，讀取銑槽2 mm深和4 mm深的應(yīng)變值，通過公式計算出應(yīng)變值。

JB/T 8888—1999銑環(huán)槽的直徑為15 mm，殘余應(yīng)力計算公式如下：

σt=E{2.150×[εt(z=2 mm)-εt(z=4 mm)]+0.379×[εX(z=2 mm)-εX(z=4 mm]}

σX=E{0.379×[εt(z=2 mm)-εt(z=4 mm)]+2.150×[εX(z=2 mm)-εX(z=4 mm)]}

式中，σt、σX為轉(zhuǎn)子表面下2～4 mm深度范圍上的周向和軸向殘余應(yīng)力，單位為MPa；為周向和軸向上應(yīng)變值；E為轉(zhuǎn)子材料的彈性模量，單位為MPa。

1.2 X射線法

X射線法是一種測量殘余應(yīng)力的物理方法，不改變工件的原始應(yīng)力狀態(tài)。從1929年，X射線法測定殘余應(yīng)力已開始在實驗室和工業(yè)界推廣。1961年德國的E.Mchearauch提出了X射線應(yīng)力測定的sin2φ法，使X射線法在實際應(yīng)用中前進了一大步。有成熟的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)，如EN 15305—2008《無損檢測-用X射線進行殘余應(yīng)力分析的測試方法》、ASTM E915—2010《用X射線進行殘余應(yīng)力分析的測試方法》、GB/T 7704—2008《無損檢測X射線應(yīng)力測定方法》。X射線法測試的基本原理是當(dāng)工件中存在殘余應(yīng)力時，晶面間距將發(fā)生變化，發(fā)生布拉格衍射時，產(chǎn)生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離的大小與應(yīng)力大小有關(guān)。通過測量衍射線位移作為原始數(shù)據(jù)，所測得的結(jié)果實際上是殘余應(yīng)變，再通過虎克定律計算出殘余應(yīng)力。

GB/T 7704—2008中指出在二維應(yīng)力情況下，殘余應(yīng)力可由下式計算：

式中，σX為X方向的應(yīng)力，單位為MPa；K為應(yīng)力常數(shù)，單位為MPa/(°)；M為2θφX-sin2φ線的斜率；E為彈性模量，單位為MPa；μ為泊松比；φ0為入射X射線和試樣表面法線的夾角，φ為試樣表面法線和衍射晶面法線的夾角，θ0為無應(yīng)力狀態(tài)下材料的X射線衍射角，θφX為材料的X射線衍射角，單位均為(°)。

X射線法檢測殘余應(yīng)力取2 mm深處進行測試。

2 測試過程和步驟

2.1 產(chǎn)品信息

核電焊接低壓轉(zhuǎn)子輪盤的材料為25Cr2Ni2MoV，由200CK雙真空鋼錠經(jīng)五火鍛造成型。粗加工尺寸為?3100 mm×1450 mm，重量約86 t。

對于殘余應(yīng)力不超過屈服強度下限8%的常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)來說，調(diào)質(zhì)回火以≤11℃/h的速度緩慢冷卻，殘余應(yīng)力值一般均可達到規(guī)范要求的數(shù)值，且后續(xù)可不需再進行去應(yīng)力回火處理。但對于該輪盤，由于其具有較高的殘余應(yīng)力要求，因此設(shè)計熱處理工藝方案時，采取了較穩(wěn)妥的方案，即進行兩次回火，且第二次回火爐冷采用了分段限速冷卻的方式，目的就是盡可能釋放工件中的內(nèi)應(yīng)力，確保殘余應(yīng)力合格。熱處理工藝示意圖見圖1。

圖1 核電焊接轉(zhuǎn)子輪盤性能熱處理工藝Figure 1 Heat treatment process of disk forgings for nuclear welding rotor

2.2 測試位置

輪盤鍛件性能熱處理后，待工件冷至室溫后即進行殘余應(yīng)力測試。在工件上選取3點，其中2點距端面約200 mm，1點在中間位置，且3個位置同一圓周成120°作為環(huán)芯法的檢測點，即F、G及H點；另取3點，與環(huán)芯法測試3位置分別在同一圓周上，圓弧距離間隔約200 mm作為X射線法的檢測點，即F′、G′及H′點。測試位置詳見圖2。

圖2 殘余應(yīng)力測試位置示意圖Figure 2 Sketch map of test position of residual stress

2.3 測試過程

2.3.1 環(huán)芯法

環(huán)芯法檢測設(shè)備為德國進口的RKV-18殘余應(yīng)力試驗機。

測試前，應(yīng)選好測試位置，并進行打磨去除表面氧化皮以及其他雜物。打磨位置盡可能平整光滑。固定好鉆機三腳架后，刻出應(yīng)變片的張貼位置，將測試部分用無水乙醇擦拭后用快干膠將應(yīng)變片貼穩(wěn)。將應(yīng)變片導(dǎo)線連接到主機后，開始銑環(huán)槽。鉆的過程盡可能緩慢，防止刀頭發(fā)熱。每銑0.5 mm，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄。利用2 mm和4 mm深的應(yīng)變數(shù)據(jù)按前述公式計算出殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。應(yīng)變值與槽的深度大體上呈線性關(guān)系，其余深度的數(shù)據(jù)供參考。

2.3.2 X射線法

X射線法檢測設(shè)備為日本Pulstec公司便攜式μ-X360型X射線應(yīng)力儀。

測試前，在與環(huán)芯法測試的3個位置同一圓周間隔約200 mm處選取X射線法的測試位置。用Proto-8818型電解拋光機電化學(xué)腐蝕，參數(shù)為15 V、2 A，飽和NaCl水電解液，腐蝕2 mm深度。腐蝕完成后，調(diào)整X射線應(yīng)力儀機頭對準(zhǔn)檢測點。設(shè)備參數(shù)設(shè)定為儀器管電壓30 kV，管電流1 mA，Cr靶Kα輻射，準(zhǔn)直管直徑2 mm，F(xiàn)e(211)衍射晶面，平面探測器，焦離39 mm，2θ范圍23°，入射傾斜角35°，單次曝光模式，無應(yīng)力衍射角156°。設(shè)備進入運行狀態(tài)，初始預(yù)熱90 s，預(yù)熱完成后自動采集數(shù)據(jù)、整理數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果。

3 測試結(jié)果與分析

按圖2所示位置，環(huán)芯法和X射線法分別完成該輪盤鍛件殘余應(yīng)力檢測，測試的結(jié)果如表1所示。

由表1可見，兩種方法檢測得到輪盤的殘余應(yīng)力值在-6.6～-30 MPa間，都為壓應(yīng)力，絕對值都不超過40 MPa，符合采購技術(shù)規(guī)范要求。輪盤鍛件殘余應(yīng)力值沿軸向方向呈現(xiàn)“中間高，兩頭低”的特點，即軸向中間位置G點的殘余應(yīng)力值較高，兩個靠近端面位置F及H位置應(yīng)力值較小。兩方法測試數(shù)據(jù)非常相近，可反映出該輪盤鍛件的真實殘余應(yīng)力水平。

表1 殘余應(yīng)力測試結(jié)果(單位：MPa)Table 1 Test result of residual stress (Unit:MPa)

4 結(jié)論

(1)性能熱處理過程中，采用兩次回火+分段限速冷卻方式可使核電低壓焊接轉(zhuǎn)子用大型輪盤鍛件獲得較小的殘余應(yīng)力。

(2)環(huán)芯法和X射線法作為大鍛件殘余應(yīng)力的測試方法都是可取的，都能真實反映鍛件的殘余應(yīng)力水平。

參考文獻

[1] 王朋，霍鑫，丁玉明.核電汽輪機焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)發(fā)展綜述.熱力透平[J].2015，44(4)：296-305.

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[5] 王慶明，孫淵.殘余應(yīng)力測試技術(shù)的進展與動向[J].機電工程，2011，28(1)：11-15，41.