李雅范，宋 丹，姬書得，高秀玲，劉雪松，方洪淵

（1. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 沈陽航空工業(yè)學(xué)院，沈陽 110136；3. 哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

前言

隨著機(jī)組的大型化，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題也明顯增多，如二灘、五強(qiáng)溪、巖灘、小浪底、大朝山等電站機(jī)組投入運(yùn)行一段時(shí)間后，轉(zhuǎn)輪葉片均相繼出現(xiàn)過斷裂事故。由于轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的關(guān)鍵部件，它的質(zhì)量直接影響水輪機(jī)機(jī)組的效率和使用壽命。同時(shí)，葉片裂紋問題嚴(yán)重威脅電站的安全運(yùn)行，一些電站被迫幾個(gè)月停機(jī)并處理裂紋，大大降低了電站的經(jīng)濟(jì)效益。

因此，轉(zhuǎn)輪開裂問題是困擾水電站運(yùn)行的關(guān)鍵問題，該問題受到各方面的高度重視，國內(nèi)外的科研工作者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明：導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪開裂的原因是多方面的，但應(yīng)力過高是最為主要的原因。發(fā)生裂紋比例最高的是近些年新開發(fā)的高效率轉(zhuǎn)輪，特別是大型和巨型轉(zhuǎn)輪。大部分開裂屬于疲勞破壞，裂紋均發(fā)生在應(yīng)力較高的下環(huán)（上冠）與葉片出水邊的連接焊縫或熱影響區(qū)，此部位也是水輪機(jī)運(yùn)行中工作應(yīng)力較高的部位，可以說明裂紋的發(fā)生是內(nèi)應(yīng)力和工作應(yīng)力聯(lián)合作用的結(jié)果。一些轉(zhuǎn)輪葉片裂紋出現(xiàn)張開和錯(cuò)位現(xiàn)象，裂紋沿著平行于焊縫向內(nèi)部快速擴(kuò)展，但如果裂紋擴(kuò)展方向偏向本體，裂紋的擴(kuò)展速度明顯減慢，甚至停止擴(kuò)展。說明焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展影響很大。

本文采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的手段，通過局部加熱改變轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力分布，將危險(xiǎn)區(qū)域的高殘余拉應(yīng)力降低，甚至調(diào)整為壓應(yīng)力。

1 焊后局部加熱的工藝方案

為了便于對(duì)比研究，分別選取了按原工藝進(jìn)行焊接的葉片，以及按分段焊進(jìn)行焊接的葉片，在加熱區(qū)域利用火焰加熱的方式進(jìn)行加熱，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)輪葉片的加熱方式示意圖

具體的加熱參數(shù)如下所示：

（1）加熱氣體：采用乙炔氣體進(jìn)行加熱；

（2）加熱面積：采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，且加熱長度是200mm，加熱寬度是100mm；

（3）加熱位置：加熱區(qū)域的邊緣離葉片出水邊或出水邊附近橫向殘余拉應(yīng)力最高區(qū)域的距離控制在60～70mm；

（4）加熱溫度：由于轉(zhuǎn)輪的焊接熱處理的溫度不能高于590℃，因此將加熱溫度選擇為580℃；

（5）加熱時(shí)間：當(dāng)葉片出水邊附近區(qū)域的溫度到達(dá)150℃左右時(shí)，加熱過程終止；

2 殘余應(yīng)力測(cè)量方案

采用盲孔法進(jìn)行了應(yīng)力的測(cè)量，應(yīng)力測(cè)量裝置是機(jī)械工業(yè)部鄭州研究所生產(chǎn)的YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量儀。

圖2是應(yīng)力測(cè)量位置分布圖，圖3是貼有應(yīng)變片的轉(zhuǎn)輪局部放大圖。沿焊縫方向上共測(cè)5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)的距離是30mm。

圖2 分段焊后應(yīng)力測(cè)量位置分布圖

圖3 貼有應(yīng)變片的轉(zhuǎn)輪實(shí)物局部放大圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生疲勞裂紋甚至開裂的驅(qū)動(dòng)力主要是垂直于焊縫方向的殘余拉應(yīng)力，所以下面僅對(duì)此應(yīng)力（σy）進(jìn)行研究來說明局部加熱的效果。

局部加熱的試驗(yàn)研究主要是在利用分段焊進(jìn)行焊接葉片上進(jìn)行的，加熱區(qū)域的邊緣到葉片出水邊的距離是150mm，如圖4所示。通過分析可知，局部加熱對(duì)葉片上殘余應(yīng)力分布狀態(tài)的影響非常大，它在增加了加熱區(qū)域殘余應(yīng)力的同時(shí)，大大降低了相鄰區(qū)域的殘余應(yīng)力，降低效果與位置有關(guān)系。當(dāng)?shù)郊訜徇吘壍木嚯x為70mm左右時(shí)，殘余應(yīng)力的降低幅度最大。

圖4 σy沿平行于焊縫方向的分布

4 結(jié)論

對(duì)焊后的轉(zhuǎn)輪采用局部加熱—冷卻的方法，轉(zhuǎn)輪危險(xiǎn)區(qū)域的殘余應(yīng)力下降的效果比較明顯。降低效果主要與加熱時(shí)間成正比，殘余應(yīng)力隨加熱位置的增大呈先降低后升高的趨勢(shì)，甚至可以變成壓應(yīng)力。如果加熱位置選擇適當(dāng)，可以起到降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域殘余拉應(yīng)力的作用。反之，如果加熱位置控制不好的話，葉片危險(xiǎn)區(qū)域的殘余應(yīng)力反而會(huì)上升，導(dǎo)致葉片的抗裂性能下降。

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[2]矯勇, 戴艷濤. 轉(zhuǎn)輪不銹鋼材料裂紋及疲勞特性的探究[J]. 黑龍江科技信息, 2008.