水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片焊接殘余應(yīng)力分析

1、46焊接技術(shù)第31卷第2期2002年4月焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)局部區(qū)域發(fā)生不可逆的塑性變形所致的自平衡應(yīng)力,其拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時產(chǎn)生而又相互平衡。焊接殘余應(yīng)力與焊件的材料、拘束度、焊件的厚度、焊接工藝參數(shù)以及熱處理工藝等有關(guān)。一般說來,焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的靜載強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕過程有較大影響。我國現(xiàn)役的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,大多采用焊接結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行一段時間以后,會在葉片焊縫處產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋,而在導(dǎo)致其產(chǎn)生裂紋的諸因素中,焊接殘余應(yīng)力起加速應(yīng)力腐蝕過程的作用,殘余拉應(yīng)力更是降低其抗疲勞強(qiáng)度。因此,分析了解轉(zhuǎn)輪葉片焊接殘余應(yīng)力,對轉(zhuǎn)輪制造或修復(fù)時采取合理的工藝措施有重要的理論和

2、實(shí)際工程意義。!轉(zhuǎn)輪葉片焊接殘余應(yīng)力測試對某水電廠1臺混流式水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了現(xiàn)場測試,具體情況如下。1.1測試技術(shù)條件采用YC-!型殘余應(yīng)力測試裝置、TJ-120-1.5-!1.5常溫應(yīng)變花(電阻值115",靈敏系數(shù)2.08、502快干膠(AAA級,日本產(chǎn)、用盲孔釋放法(盲孔!1.5mm,鉆孔深度2.0mm。1.2現(xiàn)場測試a.工件資料轉(zhuǎn)輪材質(zhì)上冠為ZG20Mnsi,葉片為ZG0Cr13ni6MO;焊接采用雙面焊條電弧焊,未熱處理。b.測點(diǎn)布置取2個特征點(diǎn)布置測點(diǎn)。1個在13號葉片無裂紋焊縫上,另1個在3號葉片經(jīng)裂紋修復(fù)后的焊縫上。2處對應(yīng)的工件厚度:13號50m

3、m,3號70mm,應(yīng)變片布置見圖1、2(單位:mm。c.測試數(shù)據(jù)分別測試各應(yīng)變值大小,然后依式(1式(3計算應(yīng)力大小。"1=#1!#24"!14#(#1!#32!2#2$(#1!#3V2(1 "2=#1!#24"$14#(#1!#32!2#2$(#1!#3V2(2tg2$=2#2$#1$#3#3$#1(3式中",#為釋放系數(shù);$為主應(yīng)力方向;#1,#2,#3為測試的應(yīng)變值。經(jīng)計算后得到應(yīng)力數(shù)據(jù)見表1。"試板焊接殘余應(yīng)力測試為進(jìn)行比較分析和更深入的研究,在試驗(yàn)室用同類型材質(zhì)厚鋼板對接焊縫進(jìn)行了焊縫殘余應(yīng)力測試。2.1試驗(yàn)室有關(guān)技術(shù)條件a

4、.焊接試板有關(guān)參數(shù)試板尺寸為300mm X250mm X45mm;試板材質(zhì)ZG0Cr13ni4MO(與ZG0Cr13ni6MO屬同類型材質(zhì);雙面U 形坡口焊條電弧焊,未熱處理。b.應(yīng)力測點(diǎn)布置:按焊縫長度3等份,其中:焊縫上1點(diǎn);左邊熱影響區(qū)1點(diǎn);右邊熱影響區(qū)1點(diǎn)。具體測點(diǎn)位置見收稿日期:2001-09-10表!葉片殘余應(yīng)力現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)測試點(diǎn)編號12葉片位置編號133"1/Mpa856.4726.5" 2 /Mpa137.949.1表中"1為焊縫橫向應(yīng)力,"2為焊縫縱向應(yīng)力圖"#號葉片裂紋修復(fù)后焊縫殘余應(yīng)力測試部位示意圖圖!#號葉片原始焊縫殘余

5、應(yīng)力測試部位示意圖47 weIcing TeclnOIOgy VOI.31NO.2Apr.2002圖3。c.應(yīng)力測試技術(shù)條件與現(xiàn)場測試技術(shù)條件相同,測試過程中應(yīng)力常數(shù)!,"值按常規(guī)取值。2.2殘余應(yīng)力測試測得有關(guān)數(shù)據(jù),計算后結(jié)果見表2。表!試板焊接殘余應(yīng)力值"殘余應(yīng)力測試結(jié)果分析與討論3.1測試結(jié)果分析對測試得到的表1和表2數(shù)據(jù)做以下分析:a.轉(zhuǎn)輪葉片焊縫存在很大殘余拉應(yīng)力;b.焊縫區(qū)表面殘余應(yīng)力大于熱影響區(qū)表面殘余應(yīng)力;c.轉(zhuǎn)輪葉片焊縫表面橫向殘余應(yīng)力大于縱向殘余應(yīng)力,與試驗(yàn)室試板焊縫情況相反;c.現(xiàn)場測得的橫向殘余應(yīng)力大于試驗(yàn)室測得的相應(yīng)數(shù)據(jù),而縱向殘余應(yīng)力情況相反;e

6、.焊接殘余應(yīng)力!1大于ZG0cr13Ni4MO,ZG0cr13Ni6MO 的屈服強(qiáng)度!0.2,且分別接近或大于其抗拉強(qiáng)度!#。3.2測試結(jié)果討論a.鑒于在測試現(xiàn)場條件的局限性,測得的轉(zhuǎn)輪葉片焊接殘余應(yīng)力數(shù)值可能不夠準(zhǔn)確,但仍可供構(gòu)件受力分析時參考,有助于正確判斷殘余應(yīng)力分布趨勢;b.測得的應(yīng)力大小與焊縫受拘束程度成正比。如轉(zhuǎn)輪葉片為變截面的厚大件,焊接時焊縫金屬的收縮會受到來自整個轉(zhuǎn)輪很大的橫向拘束,而焊縫縱向拘束較小,使得焊縫橫向殘余應(yīng)力較縱向殘余應(yīng)力大得多;試驗(yàn)室條件下的焊接試板正好相反,焊縫的自由收縮條件好得多,此時縱向拘束明顯大于橫向拘束,當(dāng)然縱向殘余應(yīng)力也就大于橫向殘余應(yīng)力了;c.現(xiàn)

7、場測試的3號葉片焊縫裂紋修復(fù)時采用了局部應(yīng)力控制措施,其應(yīng)力值較13號葉片顯著降低(尚且未考慮2測點(diǎn)處母材厚度差別,說明采用適當(dāng)?shù)暮附庸に嚧胧┮越档蜌堄鄳?yīng)力是可行的;c.水輪機(jī)焊接轉(zhuǎn)輪體積龐大,難以進(jìn)行整體消除應(yīng)力熱處理,葉片焊縫及熱影響區(qū)中拘束應(yīng)力、多層多道焊產(chǎn)生的應(yīng)變積累形成的拉應(yīng)力用局部熱處理和后熱的方法更不能消除,只能降低應(yīng)力峰值。由此可見,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的焊縫及熱影響區(qū)必定有很高的焊接殘余應(yīng)力。#結(jié)語水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片中的焊接殘余應(yīng)力對于其產(chǎn)生裂紋的影響不能低估。清楚地了解殘余應(yīng)力的形成過程與分布及在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中的演變,還有很多工作要做。當(dāng)前水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的問題已成為困擾著機(jī)組安全穩(wěn)定

8、運(yùn)行的大問題,要解決此問題,除了進(jìn)行改善機(jī)組運(yùn)行工況方面的研究外,在轉(zhuǎn)輪制造時、在進(jìn)行葉片裂紋焊接修復(fù)時采取一些有效的控制焊接殘余應(yīng)力的措施也是必不可少的。作者簡介:楊其良(1956,高級工程師.測試點(diǎn)編號應(yīng)力值!2/Mpa應(yīng)力值!1/Mpa1672.3422.92697.2479.93638.3402.7備注焊縫縱向焊縫橫向+圖"焊接試板應(yīng)變片布置圖*專利信息*專利申請?zhí)?99113560公開號:1236086發(fā)明名稱:直冷式奶罐滿液板式蒸發(fā)器及其點(diǎn)焊工藝文摘:一種直冷式奶罐滿液板式蒸發(fā)器及其雙面點(diǎn)焊工藝。由于采用厚度比更大的兩塊不銹鋼板和增加焊點(diǎn)的新設(shè)計,使雙面點(diǎn)焊可以采用遠(yuǎn)小于

9、傳統(tǒng)的電極工作壓力,從而使得與牛奶直接接觸的厚不銹鋼板一側(cè)無點(diǎn)焊凹坑,便于奶罐罐體內(nèi)壁的鏡面拋光工序,大大節(jié)省奶罐的加工工時。而且焊點(diǎn)質(zhì)量優(yōu)異,在充氣鼓形中無焊點(diǎn)爆裂現(xiàn)象,成品率高。此外節(jié)省了昂貴的不銹鋼薄板材料。專利申請?zhí)?99113377公開號:1256351發(fā)明名稱:一種利用卷筒修補(bǔ)套管的方法文摘:本發(fā)明提供了一種油田開發(fā)中井下作業(yè)利用卷筒修補(bǔ)套管的方法。該方法的主要技術(shù)特征是用卷筒法將設(shè)計的特殊鋼板通過卷板機(jī)卷取成形(卷管,用它代替了無縫的鋼管,解決了卷管與套管的焊接質(zhì)量問題,它可以廣泛應(yīng)用于油田井下作業(yè)修補(bǔ)套管,其特點(diǎn)是卷管具有彈性和可展開性,故與套管結(jié)合緊密,卷管與套管間實(shí)現(xiàn)全面熔

10、焊,提高了焊接強(qiáng)度,保證了焊接質(zhì)量。專利申請?zhí)?99112925公開號:1273897發(fā)明名稱:一種管線鋼用高韌性抗腐蝕埋弧焊絲文摘:一種高韌性、抗腐蝕埋弧焊絲,其特征在于:它的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%為$(c0.01%0.08%,$(Mn1.20% 1.80%,$(Si0.05%0.5%,$(Ti0.03%0.15%,$(B0.001% 0.008%,$(MO0.20%0.55%,$(cu0.20%0.5%,$(Ni0.03%0.5%,$(S<0.005%,$(p<0.01%,其余為Fe。由本發(fā)明得到的焊縫金屬不但具有更高的強(qiáng)度和韌性,而且能夠適合于含硫 化氫天然氣輸送管線的焊接

11、。專利申請?zhí)?99111968公開號:1259416發(fā)明名稱:無水焊接系統(tǒng)文摘:在電焊系統(tǒng)中使用的、不需要工廠提供空氣和水冷卻循環(huán)的基于電阻焊的焊槍組件。其中基于電阻的力控制器測量焊槍的二級電路的電阻、與當(dāng)夾持在電極之間時由工件和相對電極形成的電路相并聯(lián)的二級電路的組合電阻,并計算工件的電阻。把測量電阻與預(yù)定電阻比較,并調(diào)節(jié)電極的夾持力,直到工件的電阻是可接受的。本發(fā)明還涉及帶有冷卻劑管線、包含在冷卻劑管線中的冷卻劑、熱交換器及機(jī)械冷卻劑泵的閉環(huán)冷卻劑系統(tǒng)。(美國專利申請?zhí)?99110544公開號:1247786發(fā)明名稱:摩擦壓焊裝置文摘:具有基座及設(shè)在該基座上的壓焊機(jī)構(gòu)。壓焊機(jī)構(gòu)在可以卸下多個工件的安裝狀態(tài)下,通過摩擦壓焊將這些工件接合在一起?；哂写怪钡那氨砻?壓焊機(jī)構(gòu)設(shè)置在該前表面上。從而,構(gòu)成壓焊機(jī)構(gòu)的構(gòu)件不向水平方向伸出,可容易地進(jìn)行裝卸操作?；谋趁婢哂惺褂斜匾M(jìn)行維修的壓焊機(jī)構(gòu)的部位露在外部的貫通孔。從而可從基座的背面通過貫通孔很容易地對壓焊機(jī)構(gòu)進(jìn)行維修。(日本(金專提供結(jié)構(gòu)件的焊接及變形控制 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片焊接殘余應(yīng)力分析作者:楊其良作者單位:湖南省電力試驗(yàn)研究所,湖南長沙,