基于盲孔法的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪表面殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究

許 闖 王家勝 程勝金

（1.華北水利水電大學(xué)工程訓(xùn)練中心，鄭州 450000；2.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，鄭州 450000）

某水電站是雅礱江中游河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的骨干電站之一。該水電站裝機(jī)容量1 500 MW，地下廠房?jī)?nèi)裝設(shè)4 臺(tái)375 MW 立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組[1]。其中，水輪機(jī)U1 轉(zhuǎn)輪由上海福伊特水電設(shè)備有限公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)輪最大直徑為6 987 mm，總質(zhì)量為150 t。該水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由15 個(gè)葉片組成，包括上冠和下環(huán)。該葉片是經(jīng)過(guò)退火處理馬氏體的不銹鋼鑄件。為了評(píng)估該轉(zhuǎn)輪在經(jīng)過(guò)退火后熱影響區(qū)域、熔合線附近區(qū)域以及焊縫區(qū)域殘余應(yīng)力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，采用盲孔法對(duì)該轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試[2]。

1 測(cè)試方法和測(cè)試原理

采用盲孔法測(cè)試轉(zhuǎn)輪，鉆孔設(shè)備采用型號(hào)為ZDL-1 型的鉆孔儀；應(yīng)變計(jì)為T(mén)J120-1.5-φ1.5 型三向電阻應(yīng)變花，應(yīng)變花靈敏度系數(shù)為2.07；應(yīng)變儀為鄭州機(jī)械研究所研發(fā)的YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x，其面板如圖1 所示；鉆孔直徑為1.5 mm，孔深為2.0 mm。

盲孔法測(cè)量原理如圖2 所示。假設(shè)一個(gè)各向同性材料上某一區(qū)域內(nèi)存在一般狀態(tài)的殘余應(yīng)力場(chǎng)，其最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別為σ1和σ2，在該區(qū)域表面上粘貼一專(zhuān)用應(yīng)變花，在應(yīng)變花中心打一小孔，引起孔邊應(yīng)力釋放，從而在應(yīng)變花絲柵區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生釋放應(yīng)變[3]，根據(jù)應(yīng)變花測(cè)量的釋放應(yīng)變計(jì)算殘余應(yīng)力。

計(jì)算公式如下[4]：

式中：ε1、ε2、ε3為3 個(gè)方向釋放應(yīng)變值；σ1、σ2為最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；θ 為σ1與ε1的夾角；E為材料彈性模量，為205 000 MPa；A、B 為釋放系數(shù)。

殘余應(yīng)力測(cè)定前，應(yīng)在試驗(yàn)室進(jìn)行應(yīng)變釋放系數(shù)的標(biāo)定工作。標(biāo)定試驗(yàn)采用單向拉伸加載方式。對(duì)于馬氏體不銹鋼試板，標(biāo)定前需進(jìn)行900 ℃×6 h 的退火熱處理。標(biāo)定過(guò)程中，需反復(fù)多次預(yù)加載標(biāo)定的試樣，當(dāng)應(yīng)力加載至某一值時(shí)，判定三相電阻式應(yīng)變花是否出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，然后加載至30 s、70 s、90 s 進(jìn)行鉆孔，讀取釋放應(yīng)變值[5]。其中，標(biāo)定系數(shù)A、B值可以按式（4）和式（5）進(jìn)行求解。

式中：ε1、ε3為沿拉伸方向和垂直拉伸方向釋放應(yīng)變值；σ 為加載應(yīng)力值。

2 測(cè)點(diǎn)布置

在葉片進(jìn)水邊和出水邊的焊接接頭部位布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別布置在焊縫區(qū)、熔合線附近區(qū)域和熱影響區(qū)。同一部位應(yīng)變片中心距為30 mm。測(cè)試分為焊后熱處理前（48 個(gè)測(cè)點(diǎn)）和焊后熱處理后（48 個(gè)測(cè)點(diǎn)）兩個(gè)階段進(jìn)行，共96 個(gè)測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)葉片的焊接情況，選擇返修最少的一張葉片（12 號(hào)葉片，無(wú)返修）、返修最多的一張葉片（9 號(hào)葉片）、隨機(jī)抽取一張葉片（4 號(hào)葉片）以及1 處返修區(qū)域（5 號(hào)葉片負(fù)壓側(cè)進(jìn)水邊與下環(huán)過(guò)渡處，距進(jìn)水邊150 mm）進(jìn)行熱處理前、后焊接殘余應(yīng)力測(cè)試[6]。測(cè)試部位位于轉(zhuǎn)輪正壓側(cè)進(jìn)水邊與上冠過(guò)渡處、轉(zhuǎn)輪正壓側(cè)進(jìn)水邊與下環(huán)過(guò)渡處、轉(zhuǎn)輪負(fù)壓側(cè)進(jìn)水邊與上冠過(guò)渡處、轉(zhuǎn)輪負(fù)壓側(cè)進(jìn)水邊與下環(huán)過(guò)渡處以及出水邊與下環(huán)過(guò)渡處[7]。具體測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3 和圖4。

表1 殘余應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3 數(shù)據(jù)分析

由于盲孔法測(cè)點(diǎn)不能重復(fù)，熱處理前、后測(cè)點(diǎn)相距30 mm，故測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)性會(huì)有所不同，應(yīng)在分析數(shù)據(jù)時(shí)予以考慮。其中，測(cè)點(diǎn)編號(hào)的含義如下：第一位數(shù)字表示葉片的編號(hào)；第二位字母中，C 表示上冠，B 表示下環(huán)；第三位字母中，P 表示葉片的正壓側(cè)，S 表示葉片的負(fù)壓側(cè)；第四位字母中，I 表示進(jìn)水邊，O 表示出水邊，編號(hào)中有（B）的表示測(cè)點(diǎn)位于補(bǔ)焊位置上；最后一位數(shù)字中，1 表示熱影響區(qū)域，2 表示熔合線附近區(qū)域，3 表示焊縫區(qū)域。

4#葉片、9#葉片、12#葉片以及5#葉片測(cè)點(diǎn)熱處理前后殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力對(duì)比圖，分別如圖5 ～圖8 所示。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出：位于12#葉片上冠正壓側(cè)進(jìn)水邊位置的12CPI3 測(cè)點(diǎn)在熱處理前的最大殘余應(yīng)力測(cè)試值為545 MPa，經(jīng)過(guò)熱處理后的殘余應(yīng)力測(cè)試值為125 MPa，降低77%；經(jīng)過(guò)熱處理后，最大殘余應(yīng)力測(cè)試值為159 MPa，位于9#葉片上冠負(fù)壓側(cè)進(jìn)水邊位置的9CSI1 測(cè)點(diǎn)；熱處理前的返修部位最大主應(yīng)力值為492 MPa，熱處理后的主應(yīng)力值為 -22 MPa，位于5# 葉片上冠負(fù)壓側(cè)進(jìn)水邊位置的5CSI2（B）測(cè)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)盲孔法對(duì)熱處理前后轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和15 片葉片應(yīng)力結(jié)果對(duì)比可以得出：熱處理前后轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力最大主應(yīng)力出現(xiàn)很大程度的降低；最大主應(yīng)力呈現(xiàn)平緩趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)熱處理后的轉(zhuǎn)輪從較高的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低殘余壓應(yīng)力，大大改善了焊縫的抗疲勞性能，達(dá)到了良好的消除焊接殘余應(yīng)力的效果。