混流式水輪機(jī)分段焊殘余應(yīng)力調(diào)控試驗(yàn)研究

混流式水輪機(jī)分段焊殘余應(yīng)力調(diào)控試驗(yàn)研究

0焊接殘余拉應(yīng)力應(yīng)考慮轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力在服務(wù)過程中，主電源設(shè)備中存在疲勞裂紋，這是目前所有此類設(shè)備的共同問題。這一現(xiàn)象的發(fā)生極大地降低了電氣工程的工作效率，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)葉片的開裂問題,國內(nèi)外的科研工作者提出了一些解決轉(zhuǎn)輪裂紋的方法,如在下環(huán)焊縫中部安裝楔子板、在下環(huán)焊縫外面增加加強(qiáng)板、在下環(huán)的上下端部先焊上搭塊、焊前在上冠處裝上假軸等。但這些方法的實(shí)際效果不是很好,且不能從根本上解決轉(zhuǎn)輪葉片的裂紋問題。對(duì)于一個(gè)具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說,由于它的材料選擇是不變的,因此轉(zhuǎn)輪的受力狀態(tài)是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)疲勞裂紋的關(guān)鍵因素。在水輪機(jī)的工作運(yùn)行中,轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力來源主要有工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力兩種。研究發(fā)現(xiàn),工作應(yīng)力峰值的出現(xiàn)位置與焊接殘余拉應(yīng)力峰值一致,都是在葉片出水邊的焊縫附近。由于對(duì)于一個(gè)具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說,它的工作應(yīng)力是固定不變的,因此解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題只能利用焊接工藝的優(yōu)化來改善轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài),通過降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力從根本上解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題。對(duì)于一個(gè)普通的焊接構(gòu)件來說,焊縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力是由于殘余壓縮塑性變形產(chǎn)生的,此區(qū)域的殘余壓縮塑性變形對(duì)周圍區(qū)域產(chǎn)生影響,使鄰近焊縫的區(qū)域產(chǎn)生了較大的焊接殘余壓應(yīng)力。針對(duì)這種情況,作者在進(jìn)行平板試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用分段焊的方法對(duì)葉片危險(xiǎn)區(qū)域附近的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)控,使轉(zhuǎn)輪的葉片危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生了焊接殘余壓應(yīng)力。1分段焊接對(duì)剩余電池電壓的影響1.1平板固定架試驗(yàn)由于轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)非常龐大,直接在轉(zhuǎn)輪上進(jìn)行分段焊的試驗(yàn)會(huì)使試驗(yàn)費(fèi)用高以及生產(chǎn)周期長(zhǎng)。因此作者首先研究了分段焊對(duì)平板焊接殘余應(yīng)力影響。這里進(jìn)行平板的目的有兩個(gè),一是驗(yàn)證分段焊的合理性;二是確定適用于某水電站某型號(hào)轉(zhuǎn)輪分段焊的段長(zhǎng)。平板試驗(yàn)中,平板的尺寸為500mm×500mm×16mm,同時(shí)在平板一組對(duì)邊上開30°的半V形坡口。另外,為了增加平板試驗(yàn)過程中的剛度問題,對(duì)平板固定架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),如圖1所示。其中右側(cè)圖中的虛線位置表示在試驗(yàn)過程中平板的放置位置。平板與固定架的材料都是0Cr13Ni5Mo,兩部分通過CO2氣體保護(hù)焊的方法進(jìn)行連接。焊接電流是240A,電弧電壓是30V,焊接速度是5mm/s。為了研究分段焊對(duì)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響,在分段焊過程中,將整個(gè)焊縫分成三段進(jìn)行焊接,兩端的焊段長(zhǎng)度分別是50mm與100mm。1.2應(yīng)力釋放量計(jì)算利用盲孔法在焊后的平板上進(jìn)行應(yīng)力的測(cè)量。應(yīng)力測(cè)量裝置采用鄭州研究所生產(chǎn)的YC—Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x。盲孔法屬于殘余應(yīng)力測(cè)量的部分釋放法。按小孔法測(cè)量殘余應(yīng)力時(shí)需先在各測(cè)點(diǎn)部位貼上應(yīng)變片,然后在緊靠應(yīng)變片的適當(dāng)位置鉆一小孔,根據(jù)應(yīng)力釋放前后應(yīng)變片所測(cè)得的應(yīng)變差,可借助彈性理論推算出試件內(nèi)的殘余應(yīng)力。其計(jì)算公式為R1=E4(ε0°+ε90°A+ε0°?ε90°B)?R2=E4(ε0°+ε90°A?ε0°?ε90°B)?R1=E4(ε0°+ε90°A+ε0°-ε90°B)?R2=E4(ε0°+ε90°A-ε0°-ε90°B)?式中:A表示應(yīng)力釋放系數(shù),其值是0.0275;B表示應(yīng)力釋放系數(shù),其值是0.0799;E表示材料的彈性模量。圖2是焊后平板的應(yīng)力測(cè)量位置實(shí)物圖。平板上沿焊接方向上點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離是30mm。其中盲孔的直徑為2.0mm。1.3焊接分段焊接時(shí)殘余拉應(yīng)力的影響圖3是分段焊與非分段焊的橫向殘余應(yīng)力沿焊縫方向的分布比較。圖4是分段焊不同時(shí)刻橫向殘余應(yīng)力的比較。通過分析可知,分段焊可以增加焊縫整個(gè)接頭的低殘余應(yīng)力區(qū),同時(shí)采用先焊兩端后焊中間的方法進(jìn)行焊接時(shí),兩邊焊段的殘余拉應(yīng)力在中間焊段進(jìn)行時(shí)得到了降低,其效果與到中間焊段端部的距離有關(guān)。對(duì)于板厚為16mm,材料為0Cr13Ni5Mo的平板來說,到中間焊段端部的距離為50mm范圍內(nèi),降低效果非常明顯,隨著距離的增加,降低效果逐漸減小。2殘余拉應(yīng)力的分段焊根據(jù)葉片的危險(xiǎn)區(qū)域是在葉片出水邊的焊縫附近以及前面平板試驗(yàn)的結(jié)果,在轉(zhuǎn)輪的分段焊焊接過程中,采用先焊兩端后焊中間的方法,利用后焊焊段對(duì)葉片危險(xiǎn)區(qū)域的殘余拉應(yīng)力造成影響,導(dǎo)致此區(qū)域的拉應(yīng)力數(shù)值下降,甚至變成殘余壓應(yīng)力。分段焊的分段方式如圖5所示。圖中的①,②與③分別表示葉片焊縫區(qū)域焊段的編號(hào),④與⑤分別表示葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角編號(hào)。具體的焊接工藝如下。(1)焊接前加熱100～120℃,預(yù)熱可根據(jù)實(shí)際情況,采用履帶式電加熱器加熱的方法。(2)焊接方法采用氣體保護(hù)焊,保護(hù)氣體為78%Ar+22%CO2。(3)焊接參數(shù)焊接電流為240A,電弧電壓為30V,層間溫度不高于150℃。(4)mm范圍內(nèi),焊段位置為0.葉片出水邊的焊段(圖5中的②)控制在40～90mm范圍內(nèi),焊段(圖5中的③)控制在90～110mm范圍內(nèi),焊段位置包括葉片與上冠之間以及葉片與下環(huán)之間兩處。(5)葉片圓角葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角(圖5中的④與⑤)在進(jìn)行葉片中間焊段(圖5中的①)焊前全部完成。3葉片橫向殘余應(yīng)力的分布利用盲孔法在焊后的轉(zhuǎn)輪上進(jìn)行應(yīng)力的測(cè)量。應(yīng)力測(cè)量裝置是鄭州研究所生產(chǎn)的YC—Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x。圖6是貼有應(yīng)變花的轉(zhuǎn)輪局部放大圖。圖7是應(yīng)力測(cè)量位置的示意圖。其中沿葉片出水邊且垂直焊縫方向共測(cè)5個(gè)點(diǎn);在離熔合線20mm與40mm的位置上,沿焊縫方向上共測(cè)5個(gè)點(diǎn),每點(diǎn)的距離是30mm。圖8是當(dāng)葉片出水邊焊段長(zhǎng)度是60mm時(shí),葉片出水邊附近橫向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布,圖中的距離表示點(diǎn)到下環(huán)的最近距離。從圖中可以看出,按普通焊接工藝(非分段焊)進(jìn)行焊接時(shí),轉(zhuǎn)輪葉片的橫向殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū),殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域,并且在熔合線附近出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。按分段焊工藝進(jìn)行焊接時(shí),葉片出水邊附近沿垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力全部為殘余壓應(yīng)力。這一結(jié)果有效地證明了分段焊可以降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域的殘余拉應(yīng)力峰值,并且如果在焊段長(zhǎng)度選擇合理的情況下,甚至可以將葉片危險(xiǎn)區(qū)域的橫向殘余應(yīng)力變成壓應(yīng)力。圖9是當(dāng)葉片出水邊焊段長(zhǎng)度是60mm時(shí),橫向殘余應(yīng)力沿平行于焊縫方向的應(yīng)力分布情況,其中距離表示點(diǎn)到葉片出水邊的距離,同時(shí)所有點(diǎn)距離焊縫熔合線的距離都是20mm。通過分析可以看出,在平行于焊縫的方向上,分段焊的殘余應(yīng)力在距離葉片出水邊為80mm的范圍內(nèi),與普通焊相比,殘余應(yīng)力得到明顯的降低,并且變成壓應(yīng)力;而在距離超過80mm時(shí),分段焊與非分段焊的殘余應(yīng)力值的差距越來越小。在分段焊過程中,當(dāng)焊縫兩端完成進(jìn)行中間段的焊接時(shí),中間焊段的殘余壓縮塑性變形對(duì)鄰近區(qū)域產(chǎn)生影響,增加了鄰近區(qū)域的殘余拉伸塑性變形,造成此區(qū)域的應(yīng)力值下降。圖10是分段焊葉片出水邊上的殘余應(yīng)力與出水邊焊段長(zhǎng)度的關(guān)系,其中圖中點(diǎn)1,2與點(diǎn)3的位置分別在焊縫、熔合線以及距離熔合線20mm的位置。通過分析可知,當(dāng)葉片出水邊焊段的長(zhǎng)度是40mm時(shí),葉片出水邊附近的殘余應(yīng)力最小,隨著長(zhǎng)度的增加,殘余應(yīng)力逐漸增加。此結(jié)果與平板焊的結(jié)果基本相同,從而進(jìn)一步說明了平板試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。4葉片殘余應(yīng)力的降低(1)平板分段焊的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于尺寸為500mm×500mm×16mm的平板來說,后焊的中間部分可以起到降低先焊兩端的殘余應(yīng)力的作用,且在到后焊部分端部為50mm的范圍內(nèi),降低效果最明顯。(2)采用先焊葉片出水邊焊段,后焊中間焊段的分段焊方法降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域附近的殘