易 吉 林

（構(gòu)皮灘電站建設公司，貴州 余慶 554408）

1 前言

2 測試方法、原理

大型水輪機轉(zhuǎn)輪是在現(xiàn)場通過焊接技術(shù)加工制造的，在生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生焊接殘余應力，殘余應力的存在是有害的，它將直接影響到結(jié)構(gòu)的工作壽命及正常使用。盡管目前大多數(shù)水輪機都需要通過退火處理以降低殘余應力，但是對最終轉(zhuǎn)輪進行殘余應力的定量測試還是非常必要的。

構(gòu)皮灘水電站位于貴州省余慶縣構(gòu)皮灘口上游1.5km的烏江干流上，電站裝機容量3000MW（5×600MW），保證出力751.8MW，年發(fā)電量96.67億kW·h。主要任務是發(fā)電，兼顧航運、防洪及其他。其轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，由于受運輸條件限制，采取在構(gòu)皮灘工地現(xiàn)場轉(zhuǎn)輪加工車間裝焊制造，將轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片單件運到現(xiàn)場轉(zhuǎn)輪加工車間，在轉(zhuǎn)輪加工車間完成裝配、焊接、熱處理、機加工、靜平衡，最終出廠。為了了解轉(zhuǎn)輪焊接區(qū)、熱影響區(qū)及附近區(qū)域相關(guān)部位退火后殘余應力的情況，在轉(zhuǎn)輪加工車間對首臺水輪機轉(zhuǎn)輪退火后進行了殘余應力測試，測試采用電測盲孔法，在轉(zhuǎn)輪反位工況下進行。對13#葉片選取正壓側(cè)和負壓側(cè)的兩個關(guān)鍵部位進行焊接殘余應力測試。下面對測試方法、原理及測試結(jié)果進行介紹。

電測盲孔法測量水輪機轉(zhuǎn)輪葉片殘余應力的原理是：被測構(gòu)件表面總可以看成是主應力為σ1、σ2的二向應力狀態(tài)，如果在測量處鉆一個小孔，殘余應力就要釋放，使被測結(jié)構(gòu)在孔附近產(chǎn)生變形。預先在孔邊粘貼應變片，測出應變數(shù)值后，就可以由彈性理論公式計算出殘余應力σ1、σ2的數(shù)值。由于鉆孔的直徑和深度都很小，如在本測試中孔徑為φ1.5mm，孔深為2.0mm，在測試結(jié)束后可以將其填平，因此并不會影響工件的使用。

對于轉(zhuǎn)輪葉片的殘余應力，由于并不知道其主應力方向，因此采用在預測工件表面粘貼特制的應變花，在應變花中心鉆一個φ1.5×2.0mm 小孔，應變花感受應變變化，即釋放應變，由應變儀測讀出來。再通過主應力計算公式計算出孔深范圍內(nèi)的平均主應力σ1、σ2和主應力方向角θ。

其中: E——被測材料的彈性模量，MPa，根據(jù)VSS提供資料，彈性模量為200GPa；

ε1,ε2,ε3——相應各應變片鉆孔后產(chǎn)生的釋放應變；

σ1,σ2——分別為最大、最小主應力，MPa；

θ——最大主應力與1#片參考軸的夾角；

A、B——釋放系數(shù)?？赏ㄟ^實驗進行標定，也可按下式進行估算：

其中：γ——被測材料的波松比；

a——鉆孔半徑；

r——應變片絲柵中心圓半徑。

通常在殘余應力測試中A、B系數(shù)取實驗標定的結(jié)果。在本測試中所采用的A=-0.07255，B=-0.1514是TJ-120-1.5-φ1.5應變花在鋼材上鉆φ1.5盲孔實驗標定的結(jié)果。

3 測試步驟

構(gòu)皮灘水電站首臺轉(zhuǎn)輪由16個葉片組成，葉片材料為鑄造不銹鋼。本次測試選擇13#葉片?，F(xiàn)場測試使用YC－Ⅲ應力測量儀。

3.1 測點位置區(qū)域和測點布置

通過對上冠進水邊的正、負壓側(cè)的曲面形狀的分析，可初步確定正、負壓側(cè)殘余應力的分布區(qū)別不大，因此本次測試選取進水邊的正壓側(cè)進行測試，且測點以焊縫熔合線為基準，沿焊縫熔合線垂直方向向上下分別布置測點。根據(jù)轉(zhuǎn)輪的測試位置以及現(xiàn)場的實際情況，具體的測試部位包括葉片上冠進水邊正壓側(cè)、下環(huán)出水邊負壓側(cè)共兩個區(qū)域，各分別布置3個測點，測點總數(shù)為6個。具體測試區(qū)域和測點布置如圖1和圖2所示，測點位置說明如表1。

圖1 13#葉片退火后上冠進水邊正壓側(cè)測點布置

圖2 13#葉片退火后下環(huán)出水邊負壓側(cè)測點布置

表1 13#葉片測試位置說明表

3.2 測點表面處理

按照第3.1節(jié)確定的測試區(qū)域?qū)θ~片表面進行拋光打磨后，測點表面用砂布交叉打磨。用劃針輕輕刻出粘貼應變花的測點位置，清洗油污，除凈表面殘留金屬粉末，保持新鮮干凈的金屬表面。粘貼盲孔器固定腳處表面可以粗糙些，但也進行了拋光打磨和表面油污的清洗。

3.3 應變花的粘貼

（1）檢查應變花，去除油污。所使用的應變花阻值相差在0.5Ω內(nèi)。清洗應變花粘貼面，去除粘貼面的油污。

（2）應變花粘貼方向一致。應變花1號應變片對準參考軸即平行于焊縫，并指向葉片的外側(cè)。

（3）焊接導線，連接應變儀、溫度補償。應變片連接線路采用半橋電路，每個應變片分別進行補償。

3.4 鉆孔、測試、數(shù)據(jù)采集記錄

利用殘余應力專用鉆孔裝置進行對中和鉆孔，首先調(diào)整并安裝鉆具。鉆具的對中以所鉆孔不超出應變花中心第二基準圓為判斷標準。鉆孔前、后用放大鏡檢查鉆孔的對中情況。

用2mm深度控制塊定好鉆孔深度后，先將帶φ1.0mm麻花鉆的鉆桿插入盲孔器套筒里，進行鉆孔。然后換用φ1.5mm鉆桿擴孔。在鉆孔和擴孔時，使用鉆孔專用調(diào)壓電源，輸出電壓為70V。鉆孔結(jié)束后2min記錄測試數(shù)據(jù)。

圖3 鉆孔前后檢查對中情況

4 轉(zhuǎn)輪殘余應力測試結(jié)果及分析

4.1 轉(zhuǎn)輪殘余應力測試結(jié)果

測試得到的釋放應變按照測試方法原理中的計算公式計算出第一主應力σ1，第二主應力σ2和方向角φ。等效應力按照第四強度理論計算，計算公式如下：

殘余應力測試使用儀器為YC－Ⅲ應力測量儀，儀器打印記錄的應變就是釋放應變，儀器的靈敏度系數(shù)為2.0，所使用的應變計的靈敏度系數(shù)為2.07，在計算時彈性模量帶入值為211×2.0/2.07=204 GPa即可。退火后殘余應力測試結(jié)果列于表2。

表2 首臺水輪機轉(zhuǎn)輪13#葉片各測點退火后殘余應力測試結(jié)果

4.2 轉(zhuǎn)輪殘余應力測試結(jié)果分析

對構(gòu)皮灘水電站首臺水輪機轉(zhuǎn)輪進行了退火后殘余應力測試，測試區(qū)選擇的是13#葉片的上冠進水邊正壓側(cè)和下環(huán)出水邊負壓側(cè)。根據(jù)該水輪機轉(zhuǎn)輪葉片機械性能基本信息得知[1]，13#葉片的屈服強度為550MPa，其二分之一為275MPa。

退火后13#葉片主應力最大值為274.27MPa，接近于屈服強度的二分之一，位于上冠進水邊的正壓側(cè)；等效應力最大值為238.16MPa，平均等效應力為113.46MPa。根據(jù)在龍灘等電站對轉(zhuǎn)輪焊前殘余應力實測經(jīng)驗[2]，殘余應力最大值范圍在500～700MPa之間，由此可見構(gòu)皮灘電站轉(zhuǎn)輪通過退火較好地消除了葉片的焊接殘余應力。

[1]曹衛(wèi)華. 構(gòu)皮灘水電站首臺轉(zhuǎn)輪退火后殘余應力測試報告[R]. 北京: 北京中水科工程總公司北京機電研究所, 2007.

[2]孫鴻秉, 王懷茂. 龍灘水電站水輪機轉(zhuǎn)輪殘余應力的測試及評價[J]. 水力發(fā)電, 2007, (4): 41-43.