魏 松，程廣福，趙 鵬，劉 琪

（1. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

混流式轉(zhuǎn)輪由葉片、上冠與下環(huán)組焊而成，在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)制造過程中將產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的大小及分布對混流式轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能有重要影響，較高的焊接殘余應(yīng)力的存在嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能[1-3]。因此，在轉(zhuǎn)輪焊接完成后需要采用整體退火的方法來降低殘余應(yīng)力峰值，并使殘余應(yīng)力均勻化，以提高轉(zhuǎn)輪抗疲勞開裂的性能。

溪洛渡水電站位于金沙江上，是金沙江水電基地下游四個巨型水電站中最大的一個，共裝設(shè) 9臺770MW 混流式水輪發(fā)電機組，總裝機容量13860MW[4]。其中，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈電）生產(chǎn)6臺機組。目前，絕大多數(shù)混流式轉(zhuǎn)輪均要求在焊后及熱處理后對其進行殘余應(yīng)力測試，以此對焊接殘余應(yīng)力水平及分布進行測試和分析，對熱處理效果進行評價。因此對哈電生產(chǎn)的溪洛渡4#轉(zhuǎn)輪焊后及熱處理后焊接殘余應(yīng)力進行了測試和分析。

1 測試設(shè)備及方法

1.1 測試設(shè)備

采用盲孔應(yīng)力釋放法對混流式轉(zhuǎn)輪進行殘余應(yīng)力測試，測試設(shè)備包括：應(yīng)力儀，型號：YC-Ⅲ型，如圖1所示；應(yīng)力測量裝置，哈爾濱大電機研究所研制的轉(zhuǎn)輪專用應(yīng)力測量裝置，如圖 2所示，與原有膠粘式測試裝置相比該設(shè)備具有以下特點：

（1）操作簡便，效率高。采用手柄式永磁鐵吸附固定，避免了用膠水粘結(jié)所產(chǎn)生的繁瑣操作程序，測試效率顯著提高，為原有設(shè)備的3倍以上；

（2）操作靈活，精度高。采用軟軸電鉆進行鉆孔，電鉆振動及擺動很小，有效保證鉆孔，而且采用軟軸電鉆，操作靈活；

（3）調(diào)節(jié)靈活，適用范圍大。調(diào)節(jié)部分能根據(jù)測試工作需要在高度、角度和方向上進行靈活地調(diào)節(jié)，增大了測試裝置的適用范圍，能夠有效解決轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的測試盲區(qū)問題。

圖1 殘余應(yīng)力測試儀

圖2 新型測試裝置

1.2 測試方法

混流式轉(zhuǎn)輪疲勞開裂主要發(fā)生在葉片出水邊與下環(huán)或者上冠連接處的T型焊接接頭區(qū)域[5,6]，同時，為了對轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力進行詳細(xì)的測試與分析，因此對6#、12#、16#葉片的以下部位進行了測試：葉片進水邊與上冠接頭區(qū)域正、負(fù)壓面（圖3a），葉片出水邊與下環(huán)接頭區(qū)域負(fù)壓面（圖3b），葉片出水邊與上冠接頭區(qū)域負(fù)壓面（圖3c）。

在殘余應(yīng)力測試過程中對葉片與下環(huán)以及葉片與上冠焊接接頭部位的焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的焊態(tài)及整體熱處理后的殘余應(yīng)力進行測試，由于疲勞開裂主要與垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力有關(guān)，因此應(yīng)變片沿焊縫垂直方向分布，測試點具體位置如表1所示，實際測試過程中的測點位置分布如圖3所示。

表1 測試點位置

圖3 葉片測試部位分布（以6#葉片為例）

2 測試結(jié)果與分析

焊后轉(zhuǎn)輪6#、12#、16#葉片各測試部位焊接殘余應(yīng)力分布如圖4、圖5和圖6所示，可以看到，轉(zhuǎn)輪焊后殘余應(yīng)力分布非常不均勻，拉、壓應(yīng)力共存，而且具有較高的應(yīng)力峰值，其中，最大拉應(yīng)力可達(dá)400MPa以上，最大壓應(yīng)力可達(dá) 300MPa以上。造成這種應(yīng)力分布的主要原因是在轉(zhuǎn)輪的組焊過程中，多層多道焊接過程的不均勻溫度場分布，以及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)的較大剛度，造成了焊接接頭區(qū)域的應(yīng)力集中和嚴(yán)重分布不均。

消除焊接殘余應(yīng)力的最通用的方法是高溫回火，即將焊件放在熱處理爐內(nèi)加熱到一定溫度（Ac1以下）和保溫一定時間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內(nèi)應(yīng)力高的地方產(chǎn)生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應(yīng)力降低。熱處理后6#、12#、16#葉片各測試部位焊接殘余應(yīng)力分布如圖4、圖5和圖6所示，可以看到，轉(zhuǎn)輪經(jīng)過消應(yīng)力熱處理后，焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力得到釋放，轉(zhuǎn)輪整體殘余應(yīng)力水平顯著降低，峰值降至 160MPa以下，而且殘余應(yīng)力值波動減小，趨于均勻分布，熱處理效果顯著。

圖4 6#葉片殘余應(yīng)力分布

圖5 12#葉片殘余應(yīng)力分布

圖6 16#葉片殘余應(yīng)力分布

3 結(jié)論

（1）采用盲孔應(yīng)力釋放法對溪洛渡轉(zhuǎn)輪焊后及熱處理后焊接殘余應(yīng)力進行了測試和分析，測試部位包括葉片進水邊與上冠接頭區(qū)域正、負(fù)壓面，出水邊與下環(huán)接頭區(qū)域負(fù)壓面及出水邊與上冠接頭區(qū)域負(fù)壓面的焊縫區(qū)、熔合區(qū)及熱影響區(qū)；

（2）測試結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪熱處理消除應(yīng)力效果顯著，可有效降低轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力水平，焊后殘余應(yīng)力峰值較高且分布不均，熱處理后殘余應(yīng)力峰值顯著降低，并且趨于均勻分布，熱處理效果良好。

[1]Huth H J. Fatigue design of the hydraulic turbine runners[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2005.

[2]Frunzverde D, Muntean S, Mrginean G, et al.Failure analysis of a Francis turbine runner[C]//25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, 2010: 20-24.

[3]姬書得, 方洪淵, 劉雪松, 等. 葉片應(yīng)力狀態(tài)對混流式水輪機轉(zhuǎn)輪失效的影響[J]. 焊接學(xué)報, 2005,26(2): 52-55.

[4]李友平, 黃芳源, 李建斌. 溪洛渡水電站復(fù)議特水輪機模型及驗收試驗[J]. 大電機技術(shù), 2011, (1):46-49.

[5]Carpinteri A, Brighenti R, Huth H J, et al. Fatigue growth of a surface crack in a welded T-joint[J].International Journal of Fatigue, 2005, 27(1): 59-69.

[6]Sabourin M, Thibault D, Bouffard D A, et al. New parameters influencing hydraulic runner lifetime[C]//25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, 2010:20-24.