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)

1、第卷第期年月水力發(fā)電機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)文章編號(hào)：（）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)孫鴻秉，王懷茂（龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西南寧）關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)輪；殘余應(yīng)力；測(cè)試；評(píng)價(jià)；龍灘水電站摘要：龍灘水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在工地制作。其制作過程中，首次對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了系統(tǒng)地殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試成果可比性強(qiáng)。龍灘水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的測(cè)試目的、方法和手段、測(cè)試結(jié)果及對(duì)測(cè)試成果所作的分析和評(píng)價(jià)可供今后類似工程參考。，（，）：；：，中圖分類號(hào)：；（）文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：殘余應(yīng)力是構(gòu)件在加工或組裝過程中產(chǎn)生的，在多數(shù)情況下殘余應(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，因而受到人們的普遍關(guān)注。特別是在大型結(jié)構(gòu)和設(shè)

2、備的生產(chǎn)中，為提高經(jīng)濟(jì)效益、加快制造速度，拼焊結(jié)構(gòu)得到越來越多的應(yīng)用。經(jīng)過焊接加工成的結(jié)構(gòu)部件，內(nèi)部往往存在著較大的殘余應(yīng)力，其等效應(yīng)力峰值有時(shí)可接近材料的屈服極限。如工藝不當(dāng)殘余應(yīng)力可超過材料屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致永久變形，從而使構(gòu)件產(chǎn)生破壞。因此，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)件的工作壽命及性能的影響是不容忽視的。龍灘水電站混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由于受到水路、公路運(yùn)輸制作轉(zhuǎn)輪的基本方法。即條件的限制，故決定采用現(xiàn)場(chǎng)組焊、將葉片、上冠、下環(huán)分個(gè)部件運(yùn)輸至工地，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配、焊接、熱處理、消缺、機(jī)加工及靜平衡。應(yīng)當(dāng)指出，現(xiàn)場(chǎng)加工巨型機(jī)組的轉(zhuǎn)輪是具有開創(chuàng)性的。這在巨型水輪機(jī)制造方面跨出了一大步。從目前我國(guó)大型水電站水輪

3、機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況看，組焊的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，在運(yùn)行過程中，甚至在此之前的鑄件補(bǔ)焊、加工期間，發(fā)生裂紋的情形屢見不鮮。因此，轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力的問題已經(jīng)引起水電站業(yè)主單位和設(shè)計(jì)、制造、安裝單位的高度重視，工地制造轉(zhuǎn)輪將使這一問題更加突出。為便于對(duì)轉(zhuǎn)輪制造工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和今后電廠運(yùn)行參考，通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)龍灘水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試和分析。殘余應(yīng)力的測(cè)試方法和手段到目前為止，人們已經(jīng)研究出多達(dá)數(shù)十種不同測(cè)試焊接殘余應(yīng)力的方法。在這些方法中，大致可分為兩大類：一類是無損的物理測(cè)量方法，先后開發(fā)了射線法、磁性測(cè)量法、超聲測(cè)量法等；其二是具有完全破壞或一定損傷的機(jī)械釋放測(cè)量法，如分割全釋放型測(cè)量

4、法、逐層剝層法、盲孔法等。目前在焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試中，射線無損檢測(cè)和盲孔法是較為常用的方法。其中盲孔法是通過在被測(cè)試件表面鉆孔，釋放內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，包括光彈性貼片盲孔法和盲孔法。其中射線和電測(cè)盲孔法在焊接殘余應(yīng)力測(cè)試中應(yīng)用較多，也較為成熟。龍灘水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在工地現(xiàn)場(chǎng)制作，首次收稿日期：作者簡(jiǎn)介：孫鴻秉（），男，浙江桐鄉(xiāng)人，教授級(jí)高工，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理工作；王懷茂（），男，山西稷山人，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理工作機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)水力發(fā)電年月（）號(hào)葉片。材料屈服強(qiáng)度居中，；葉片質(zhì)在轉(zhuǎn)輪制造過程中，系統(tǒng)地進(jìn)行了殘余應(yīng)力測(cè)試。該項(xiàng)測(cè)試工作由中國(guó)水利水電科學(xué)研究院北京中水科工程

5、總公司承擔(dān)。采用電測(cè)盲孔法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接焊縫進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試采用臺(tái)靜態(tài)應(yīng)變儀：應(yīng)力測(cè)試儀和靜態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀。臺(tái)靜態(tài)應(yīng)變儀均經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院標(biāo)量較大（）；參與退火后測(cè)量的焊接返修率適中，返修長(zhǎng)度，返修率。（）號(hào)葉片。材料屈服強(qiáng)度較低，；葉片質(zhì)量較大（）；參與機(jī)組充水前測(cè)量，焊接返修率次高，返修長(zhǎng)度，占。號(hào)轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試，個(gè)階定合格，檢定周期為個(gè)月。段歷時(shí)逾，故靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行了第二次標(biāo)定：儀器精度為，滿足測(cè)試要求。分階段分部位的系統(tǒng)對(duì)比測(cè)試根據(jù)工程進(jìn)展情況，龍灘水電站號(hào)轉(zhuǎn)輪已完成各階段水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試方法的探索轉(zhuǎn)輪最大殘余應(yīng)力發(fā)生部位的確定殘余應(yīng)力的測(cè)試最關(guān)鍵的一環(huán)是找到最大殘余應(yīng)力發(fā)

6、各區(qū)域的測(cè)試工作，號(hào)及號(hào)轉(zhuǎn)輪已完成轉(zhuǎn)輪焊接并經(jīng)探傷消缺后和轉(zhuǎn)輪進(jìn)退火爐熱處理后兩個(gè)階段各區(qū)域的測(cè)試不同時(shí)段、不同區(qū)工作。由于篇幅所限，號(hào)轉(zhuǎn)輪不同葉片、域測(cè)試結(jié)果綜合對(duì)照表不在此列出。生部位，采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工裝，測(cè)孔只能布置在焊縫熔合線外處，殘余應(yīng)力數(shù)字很小，基本是母材的，未找到殘余應(yīng)力最大值，后改裝了測(cè)試工裝，使測(cè)孔布置在焊縫圓弧形區(qū)域，不僅能測(cè)試熔合線殘余應(yīng)力，而且能向熔合線內(nèi)側(cè)號(hào)轉(zhuǎn)輪退火前后殘余應(yīng)力如下：號(hào)葉片上冠進(jìn)水邊正壓側(cè)退火前為，退火后為；下環(huán)出水邊正壓側(cè)退火前為，負(fù)壓側(cè)退火前為，直接測(cè)到焊材熔合部位的殘余應(yīng)力，從而找延伸到最大應(yīng)力發(fā)生處。號(hào)葉片上冠進(jìn)水邊負(fù)壓側(cè)退火前為，退火。后為；

7、下環(huán)出水邊正壓側(cè)退火前為，退火后為。退火前號(hào)轉(zhuǎn)輪號(hào)葉片上冠進(jìn)水邊正壓面及號(hào)葉片上冠進(jìn)水邊負(fù)壓側(cè)殘余應(yīng)力曲線見圖。轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試階段和測(cè)試部位的確定經(jīng)過充分的論證，殘余應(yīng)力測(cè)試分個(gè)階段和個(gè)區(qū)域。實(shí)踐驗(yàn)證，分階段和分部位測(cè)試，已能全面覆蓋轉(zhuǎn)輪焊接高應(yīng)力區(qū)主要部位，能較好地反映轉(zhuǎn)輪的加工過程和殘余應(yīng)力測(cè)試的時(shí)效性。殘余應(yīng)力測(cè)試個(gè)階段分別為：轉(zhuǎn)輪焊接結(jié)束并經(jīng)探傷消缺后；轉(zhuǎn)輪進(jìn)退火爐熱處理后；機(jī)組充水試運(yùn)行前。轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試個(gè)區(qū)域?yàn)椋喝~片與上冠焊縫處進(jìn)水邊正壓側(cè)、負(fù)壓側(cè)、出水邊負(fù)壓側(cè)；葉片與下環(huán)焊縫處出水邊正壓側(cè)、進(jìn)水邊負(fù)壓側(cè)。鉆孔位置的確定每個(gè)區(qū)域殘余應(yīng)力測(cè)孔布置，以葉片焊接處的熔合線為布置個(gè)測(cè)孔

8、。開始個(gè)基準(zhǔn)，向兩側(cè)推移，間隔個(gè)測(cè)孔，在掌握規(guī)律后，布置個(gè)測(cè)孔測(cè)量部位布置就能反映殘余應(yīng)力的狀況了。測(cè)孔直徑!，深，測(cè)試完成后對(duì)測(cè)孔焊補(bǔ)并磨平。圖號(hào)葉片上冠進(jìn)水邊正面、厚葉片上冠進(jìn)水邊負(fù)壓側(cè)殘余應(yīng)力選擇有代表性的轉(zhuǎn)輪葉片為全面、客觀地反映葉片殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果，選擇的力曲線見圖。號(hào)轉(zhuǎn)輪號(hào)葉片進(jìn)水邊與上冠焊接部位退火后殘余應(yīng)測(cè)試葉片應(yīng)具有代表性。合同規(guī)定葉片材料屈服強(qiáng)度，實(shí)際到貨后，各個(gè)葉片的材料屈服強(qiáng)度相差較大；葉片采用精煉鑄造，加工后各葉片的質(zhì)量大小差距較大；由于焊工的水平參差不齊，焊接的返修量也不一致；綜合方面的因素，號(hào)轉(zhuǎn)輪在殘余應(yīng)力的測(cè)試過程中選擇了以下葉片作為測(cè)試葉片。（）號(hào)葉片。材料

9、屈服強(qiáng)度較低，葉片質(zhì)量最?。ǎ瑓⑴c退火前、退火后及充水前全過程測(cè)量，焊接返修率為。（）號(hào)葉片。材料屈服強(qiáng)度較高，；葉片質(zhì)量較大（）；參與退火前測(cè)量，焊接返修率最高達(dá)，返修長(zhǎng)度。圖號(hào)葉片進(jìn)水邊與上冠焊接部位退火后殘余應(yīng)力號(hào)轉(zhuǎn)輪退火后（年月）至機(jī)組充水前（年第卷第期孫鴻秉，等：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)機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)月）將近年時(shí)間，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，葉片上冠處的殘余應(yīng)力無法測(cè)試，只測(cè)試了葉片下環(huán)出水邊正壓側(cè)的殘余應(yīng)力，圖即為號(hào)葉片出水邊與下環(huán)焊接部位在機(jī)組充水前殘余應(yīng)力曲線。為便于比較，將號(hào)葉片的殘余應(yīng)力曲線一并繪制于圖中。殘余應(yīng)力的時(shí)效變化時(shí)效作用有兩個(gè)方面：一是進(jìn)一步降低殘余應(yīng)

10、力，這次測(cè)試數(shù)據(jù)表明，殘余應(yīng)力水平基本維持不變，說明轉(zhuǎn)輪退火時(shí)，殘余應(yīng)力釋放已較充分；二是將殘余應(yīng)力重新分布調(diào)整，趨向平緩。觀察殘余應(yīng)力曲線圖可見，效果十分明顯。關(guān)系同一部位焊接殘余應(yīng)力與材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度的比例同一部件焊接殘余應(yīng)力與材料的實(shí)際屈服強(qiáng)度有一定的比例關(guān)系，見表。表圖同一部件焊接殘余應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度的關(guān)系號(hào)葉片出水邊與下環(huán)焊接部位機(jī)組充水前殘余應(yīng)力通過上述測(cè)試結(jié)果，可得出幾點(diǎn)基本看法：轉(zhuǎn)輪退火前后，殘余應(yīng)力均有大幅度下降，下降幅度已超過國(guó)際文選記載的材料屈服強(qiáng)度；轉(zhuǎn)輪退火后，其殘余應(yīng)力水平只有材料屈服強(qiáng)度規(guī)定值的，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，表明龍消除焊后殘灘轉(zhuǎn)輪熱處理退火工藝及溫度控制

11、是成功的。余應(yīng)力已成為轉(zhuǎn)輪制造中的一大關(guān)鍵問題。號(hào)葉片與上冠的焊接部位焊后最大殘余應(yīng)力達(dá)到，超過了屈服強(qiáng)度規(guī)定值，因號(hào)葉片實(shí)際的屈服強(qiáng)度為表中號(hào)機(jī)號(hào)葉片測(cè)試時(shí)該部位消氫剛結(jié)束，因溫度影響，其殘余應(yīng)力數(shù)值超過屈服強(qiáng)度，測(cè)試數(shù)據(jù)存在較大的離散性，不合常理，此點(diǎn)暫不參與比較。按臺(tái)轉(zhuǎn)輪項(xiàng)測(cè)試記錄，殘余應(yīng)力與屈服強(qiáng)度的平均比值為，即上冠進(jìn)水邊殘余應(yīng)力約占材料屈服強(qiáng)度的，表明對(duì)于馬氏體不銹鋼來說，其焊接性能是良好的。，焊接殘余應(yīng)力為材料實(shí)際屈服強(qiáng)度的。這亦說明轉(zhuǎn)輪葉片與上冠的焊接，因其體形復(fù)雜，厚度變化大（號(hào)葉片頭部最厚，尾部出水邊修形后厚度僅）。殘余應(yīng)力發(fā)生部位與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的關(guān)系（）轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力最大值發(fā)生

12、在轉(zhuǎn)輪葉片上冠進(jìn)水邊，測(cè)試成果分析及評(píng)價(jià)測(cè)試成果通過臺(tái)轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力的系統(tǒng)測(cè)試，其測(cè)試數(shù)據(jù)頗具負(fù)壓側(cè)比正壓側(cè)稍大。（）轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的殘余應(yīng)力普遍較進(jìn)水邊為小，且正壓側(cè)的殘余應(yīng)力比負(fù)壓側(cè)的要大。（）殘余應(yīng)力的等效應(yīng)力（由兩個(gè)方向的主應(yīng)力合成）最大值，絕大部分發(fā)生在熔合線及向焊材方向延伸，即距熔合號(hào)轉(zhuǎn)輪：號(hào)葉規(guī)律性。轉(zhuǎn)輪焊接后，殘余應(yīng)力水平均較高。片上冠處為，下環(huán)處為；號(hào)葉片上冠處為，下環(huán)處為。號(hào)轉(zhuǎn)輪：號(hào)葉片上冠處為，下環(huán)處為；號(hào)葉片上冠處為，下環(huán)處為。號(hào)轉(zhuǎn)輪：號(hào)葉片上冠處為，下環(huán)處為；號(hào)葉片上冠處為。線需注意的幾個(gè)問題（）熔合線位置的確定。轉(zhuǎn)輪焊接完成后，經(jīng)過加工打，下環(huán)處為。最小值與平上冠處

13、平均殘余應(yīng)力為，最大、均值之差均為，說明殘余應(yīng)力波動(dòng)較小。下環(huán)處的平均殘余應(yīng)力為，較上冠處的平均殘余應(yīng)力低，這是符合轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。轉(zhuǎn)輪退火后，號(hào)轉(zhuǎn)輪的最大殘余應(yīng)力為，號(hào)轉(zhuǎn)輪的最大殘余應(yīng)力為，號(hào)轉(zhuǎn)輪的最大殘余應(yīng)力為。磨，焊接的熔合線無法看到，號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪在測(cè)試殘余應(yīng)力時(shí)，利用號(hào)機(jī)正在焊接的轉(zhuǎn)輪焊接剖口制作圓弦樣板，確定熔合線位置，為了準(zhǔn)確確定熔合線位置，應(yīng)盡量利用轉(zhuǎn)輪在堆焊圓弧角前先制作圓弦樣板；或采用磁粉探傷方法確定熔合線位置。（）重視應(yīng)力測(cè)試的環(huán)境。殘余應(yīng)力測(cè)試受環(huán)境及測(cè)試工位的影響較大，因此對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)整理和換算，一旦發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)不合常理時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析，必要時(shí)，應(yīng)重新測(cè)試。（）附加應(yīng)變應(yīng)正確取值。附加應(yīng)變是由于鉆孔而產(chǎn)生的應(yīng)變。在附加應(yīng)變標(biāo)定時(shí)，要