水輪機轉(zhuǎn)輪應力分布規(guī)律及形貌變化特征研究

1、水輪機轉(zhuǎn)輪應力分布規(guī)律及形貌變化特征研究陳兆斌 哈爾濱大電機研究所1 前言由于國內(nèi)外大型水電站混流式轉(zhuǎn)輪連續(xù)出現(xiàn)裂紋，而且多數(shù)裂紋是出現(xiàn)在葉片靠上冠和下環(huán)焊縫附近。并平行焊縫方向呈穿透性疲勞開裂。這便顯示出研究真機轉(zhuǎn)輪易萌生裂紋部位殘存應力大小，分布規(guī)律及形貌變化特征的重要性和必要性。據(jù)了解，目前國內(nèi)外很少有研究真機轉(zhuǎn)輪易裂部位應力分布規(guī)律的專題報導。所以本文從試驗室，對模擬轉(zhuǎn)輪焊接工藝試板研究入手。同時又在完全脫離試驗室的條件下，對實際生產(chǎn)的真機轉(zhuǎn)輪，包括轉(zhuǎn)輪承載運行出現(xiàn)裂紋后的應力大小，分布規(guī)律及形貌變化特征進行了全面細致研究。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪在裝機前，雖然經(jīng)過熱處理去應力處理，但在葉片距焊

2、縫中心4067mm范圍內(nèi)，仍然殘存有一個受焊接溫度和結(jié)構剛度影響的局部拉應力集中區(qū)，而這個拉應力集中區(qū)，又剛好處在葉片易萌生裂紋部位，說明殘存在葉片材料中局部拉應力過高，才是導致葉片開裂的主要原因之一。2 試驗材料2.1 材料化學成分和機械性能根據(jù)三峽轉(zhuǎn)輪用材，試板選用0Cr13Ni5Mo，焊縫填充金屬選用HS13-5焊絲。直徑1.2mm，化學成分見表1，熱處理工藝及機械性能見表2。表1化學成分CSiMnPSCrNiMo0Cr13Ni5Mo0.050.440.560.0210.00513.934.770.04HS13-50.040.530.610.0180.00513.184.890.53表2

3、熱處理工藝及機械性能sMpasMpas%Akv0Cr13Ni5Mo950正火+600正火回火>508851855120130HS13-5正火（950±15正火）+600正火回火>65890206380822.2試板制備為探討不同拘束剛度及熱處理溫度，對焊縫橫截面應力分布規(guī)律及形貌變化特征的影響，特制備了不同拘束剛度模擬試板。為使大剛度試板接近轉(zhuǎn)輪結(jié)構剛度，特將剛度板中間挖空呈框架結(jié)構，并將試板四周定位加固后，再對坡口進行施焊。大剛度試板裝配尺寸及接頭方式見圖1，焊接工藝（略）。焊接參數(shù)見表3A400650320300550280±26040600A表3 焊接參數(shù)

4、焊絲電壓（V）電流（A）焊速/min1.2223220028015453 試驗方法及測試點的選擇3.1試驗方法 試驗方法選用盲孔釋放法。應力測量儀型號：YC型應力測量儀；應變花型號：Tj-120-1.5-1.5；孔徑1.5mm，孔深1.52mm。鉆孔裝置選用本所研制的轉(zhuǎn)輪專用應力測量裝置。因為采用現(xiàn)有的應力測量裝置，很難適用于測量轉(zhuǎn)輪葉片易裂部位狹窄幾何空間的殘余應力值。同時采集遠離葉片易裂部位的應力值，又不能代表空間狹窄部位的真實應力值。所以只有研制一種適用測量幾何空間狹窄的專用測量裝置，才能采集到葉片出水邊易裂部位的真實應力數(shù)據(jù)。才能真實、直觀的了解易裂部位殘余應力值的大小，分布規(guī)律及形貌

5、變化特征。轉(zhuǎn)輪專用應力測量裝置圖（略）。3.2 應力測量點的選擇由于真機轉(zhuǎn)輪裂紋，多出現(xiàn)在焊縫附近。并近似平行焊縫方向擴展。所以在研究裂紋萌生力時，必須以研究垂直焊縫方向力為主。但在實測轉(zhuǎn)輪時，盡管專用測量裝置靈活、適用，可在近縫區(qū)，由于受幾何空間狹窄的限制，仍存在約30mm左右無法測量的死區(qū)。為采集死區(qū)應力值，只能因地制宜地以焊縫中心為參考點，并與焊縫方向呈一定夾角進行布點。這樣，盡管死區(qū)各測點不在垂直焊縫的同一直線上，但確能真實地反映出葉片距焊縫中心各不同點距上的真實應力值的大小，分布規(guī)律及形貌變化特征。焊縫死區(qū)布點示意圖（略）4 試驗結(jié)果與分析4.1試板試驗結(jié)果與分析4.1.1受拘束剛度

6、較小試板試驗結(jié)果與分析為探討試板在受拘束剛度較小情況下，焊縫區(qū)，包括焊縫附近的應力變化規(guī)律。首先對只焊支承拉筋的試板進行實測。同時為驗證盲孔法研究焊接結(jié)構應力的效果，又用X射線法對同屬2#試板進行復測。試驗結(jié)果：用盲孔實測2#試板的試驗結(jié)果見表4。應力分布及形貌變化見圖2。用X射線法復測2#試板的試驗結(jié)果見表5。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖3。結(jié)果討論與分析1 根據(jù)應力分布規(guī)律曲線圖2可看出，焊縫區(qū)，包括熔合線和熱影響區(qū)。應力是完全處在受壓狀態(tài)。只有進入母材區(qū)，壓應力才出現(xiàn)反向，并呈受拉狀態(tài)。2 對比應力變化規(guī)律曲線圖2和圖3可看出，雖然兩種應力測量方法不同。但實測應力分布規(guī)律及形貌變化特征

7、確相同。說明：在研究焊接結(jié)構應力時，無論是采用盲孔法，還是采用X射線法，都是可行的。4.1.2 受拘束剛度較大試板試驗結(jié)果與分析為探討試板在受拘束剛度較大情況下，焊縫附近的應力變化規(guī)律，包括熱處理溫度對焊態(tài)原始應力分布規(guī)律及形貌變化特征的影響。又對大剛度試板進行了焊態(tài)原始應力和熱處理去應力后的對比研究。試驗結(jié)果：4#大剛度試板焊態(tài)原始狀態(tài)應力實測結(jié)果見表6。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖4。經(jīng)580熱處理后實測結(jié)果見表7。應力變化規(guī)律及形貌變化特征見圖5。結(jié)果討論與分析1 由圖4可看出，大剛度試板原始狀態(tài)焊接應力分布規(guī)律及形貌變化特征是：在焊縫區(qū)應力水平是處在拉、壓互存狀態(tài)。在熔合線和熱影響區(qū)

8、，則完全是處在受壓狀態(tài)。在遠離熔合線的母材部位，則殘存一個較高的拉應力（峰）集中區(qū)。說明遠離熔合線母材部位的應力集中，應是由于材料受拘束剛度和焊接溫度等影響所致。2 對比圖4和圖5可看出，試板經(jīng)580去應力處理后，雖然可使部分應力得到了重新調(diào)整和降低，但并沒改變焊態(tài)原始應力分布規(guī)律及形貌變化特征。說明580熱處理，只能重新調(diào)整部分殘余應力，而并不能改變焊態(tài)原始應力變化規(guī)律及形貌變化特征。4.2 真機轉(zhuǎn)輪出水邊易萌生裂紋部位應力測量結(jié)果與分析研究真機轉(zhuǎn)輪葉片易萌生裂紋部位殘余應力值的大小，應力分布規(guī)律及形貌變化特征，比在試驗室研究試板更具有真實性和代表性。盡管所研究的轉(zhuǎn)輪由于受直徑大小、結(jié)構剛度

9、、焊接工藝，包括焊縫填充金屬與母材的化學成分及物理性能等不同，而對應力所帶來差異，但它確是在完全脫離實驗室的條件下，是綜合材料鑄造應力，加工應力、結(jié)構應力、焊接應力，包括熱處理去應力的最終效果。所以只有認識真機轉(zhuǎn)輪易裂部位的應力來源，應力值的大小、變化規(guī)律才能采取必要的手段來防止裂紋的產(chǎn)生。4.2.1 直徑4.2m轉(zhuǎn)輪易裂部位應力對比試驗結(jié)果與分析試驗結(jié)果：典型4.2m直徑的邦郎轉(zhuǎn)輪熱處理前、后易裂部位應力測量結(jié)果見文中表8和表9應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖6和圖7。結(jié)果討論與分析1 從圖6結(jié)合表8可看出，邦郎轉(zhuǎn)輪焊態(tài)應力變化規(guī)律及形貌變化特征與本體焊絲焊接試板變化規(guī)律基本相同。即在焊縫區(qū)只

10、存在有122.5MPa的拉應力，在熔合線和熱影響區(qū)，則殘存有-42.4MPa的壓應力，而在受拘束剛度和焊接溫度影響的母材區(qū)，則殘存有一個256.9MPa的拉應力集中區(qū)。說明同種金屬焊接轉(zhuǎn)輪應力變化規(guī)律及形貌變化特征是：在焊縫區(qū)殘存拉應力并不高，在熔合線和熱影響區(qū)，則完全是處在受壓狀態(tài)；在受拘束剛度和焊接溫度影響的母材區(qū)，則殘存一個較高的拉應力集中區(qū)。2 對比圖6和圖7可明顯看出，邦郎轉(zhuǎn)輪經(jīng)580去應力處理后，雖然應力值略有變化，但并沒有改變焊態(tài)原始應力變化規(guī)律及形貌變化特征。4.2.2 跟蹤三峽轉(zhuǎn)輪應力測量結(jié)果與分析為探討轉(zhuǎn)輪葉片易裂部位應力來源，首先對三峽機組準備組裝前的打磨加工葉片進行實測

11、。然后再跟蹤研究葉片易裂部位應力變化規(guī)律，包括熱處理溫度對焊態(tài)原始應力分布規(guī)律及形貌變化特征的影響。測量結(jié)果：組焊前葉片上冠坡口處應力測量結(jié)果見表10。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖8。組焊后三峽13#機15#葉片焊態(tài)和熱處理后應力測量結(jié)果見表11、12。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖9、10。結(jié)果討論與分析1 根據(jù)圖8可看出，葉片組焊前，原始狀態(tài)打磨加工應力分布規(guī)律是：完全處在起浮互變狀態(tài)，并且有規(guī)律的呈波浪形貌和特征殘存在葉片易裂部位。分析認為：這種應力分布規(guī)律，是葉片經(jīng)表面打磨加工，由手動砂輪左右擺動拉或壓所致。2 對比圖8和圖9可看出。組焊后靠焊縫葉片易裂部位，并沒反映出原始表面打磨加

12、工應力變化規(guī)律及形貌變化特征。說明材料表面打磨加工應力，在焊接溫度效應下，并不影響焊接應力變化規(guī)律及形貌變化特征。3 對比圖9和圖10還可看出，轉(zhuǎn)輪材料經(jīng)580退火處理，仍然沒有改變焊態(tài)原始應力變化規(guī)律及形貌特征。對比表11和表12可知，轉(zhuǎn)輪經(jīng)熱處理后，雖然拉應力集中區(qū)的應力值有所降低，但在距焊縫中心56mm母材部位，仍然殘存有297.5MPa的拉應力。說明三峽轉(zhuǎn)輪雖然經(jīng)過熱處理，但在受焊接溫度影響的母材易裂部位，仍然殘存有一個較高的局部拉應力集中區(qū)。4.2.3 轉(zhuǎn)輪承載運行出現(xiàn)裂紋后應力測量結(jié)果與分析為探討轉(zhuǎn)輪承載運行出現(xiàn)裂紋后，葉片易裂部位應力分布規(guī)律及形貌變化特征。包括應力值的大小，與萌

13、生裂紋的關系。在萬家寨2#機上，對已產(chǎn)生裂紋和沒產(chǎn)生裂紋的葉片進行對比研究。實測結(jié)果：2#機沒發(fā)現(xiàn)裂紋的M#葉片應力測量結(jié)果見表13。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見圖11。已發(fā)生裂紋后經(jīng)補焊的A#葉片應力測量結(jié)果見表14。應力分布規(guī)律及形貌變化特征見文中圖12。結(jié)果討論與分析1 從圖11可看出，沒發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的M葉片應力變化規(guī)律是：在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的拉應力并不高，在受焊縫溫度影響的母材易裂部位，則殘存一個較高的拉應力集中區(qū)，并以應力平臺形貌出現(xiàn)。由表13可知，該拉應力平臺距焊縫中心為5467mm，平臺寬約為13mm，平臺應力值為390.4394.9MPa。2 對比已產(chǎn)生裂紋，后經(jīng)補焊的A#葉片

14、應力曲線圖12和圖11可看出，盡管5#測量點因受補焊影響，應力值略偏高，但如果去除該點的假象(見虛線)，則仍然會看出，A#葉片仍具有與M#葉片相似的變化規(guī)律及形貌特征。不同的是：應力平臺是出現(xiàn)在距焊縫中心4055mm區(qū)間，平臺寬約為15mm，平臺值應在403.7MPa左右。3 針對應力平臺分析認為，兩個葉片應力平臺，最初均應以應力峰的形貌出現(xiàn)。承載運行后，之所以會出現(xiàn)應力平臺。是因為該局部點或線的動應力與殘存應力疊加，已超過材料的屈服極限。并產(chǎn)生局部塑性變形。當工作載荷（停機）去除后，局部已經(jīng)發(fā)生塑性變形的點或線，就不能恢復原來形狀。只能伴隨彈性應變曲線得到重新平衡，最終便以應力平臺形貌殘留在

15、靜態(tài)應變曲線中。 5 結(jié)論1 同種金屬焊接轉(zhuǎn)輪應力分布規(guī)律及形貌變化特征是：<1>在焊縫區(qū)殘存一個焊接拉應力（峰）集中區(qū)，通常情況下該拉應力峰值并不高。<2>在熔合線和熱影響區(qū)，基本是處在拉、壓狀態(tài)。<3>在受焊接溫度影響的母材局部，殘存一個較高的拉應力集中區(qū)，而這個較高拉應力集中區(qū)，又剛好處在轉(zhuǎn)輪葉片易萌生裂紋部位。2 轉(zhuǎn)輪在裝機運行前，雖然經(jīng)過熱處理去應力處理，但在葉片距焊縫中心4067mm區(qū)間仍然殘存一個受焊接溫度和結(jié)構剛度影響的高拉應力集中區(qū)。說明該局部拉應力過高是導致裂紋萌生的一個主要原因。3 轉(zhuǎn)輪經(jīng)承載運行，致使葉片受焊接溫度影響的局部應力集中區(qū)

16、發(fā)生塑性變形后，應力變化規(guī)律及形貌特征是：在局部塑性變形區(qū)產(chǎn)生一個較寬的拉應力平臺。表4 2#試板測量結(jié)果 焊縫寬為27mm 殘余應力測量點 殘余應力（度）距焊縫中心 mm12149.7-10.31676.5235.3-157.8-4368.5342.4-152.1-361.5427.9-75.5-2156534.0-74.8-247.566.8-92.4-141.5728.0-73.0633.5885.3-42.0426.5948.0-101.33559.510-107.2-139.0-4313.511-76.0-85.827.012-42.5-53.3230.5右13-56.9-242.4

17、-10.514-194.2-255.81313.515-99.8-129.210021.51637.1-60.5-2627.01759.3-131.0-834.01856.1-70.611641.01920.2-63.9047.02058.4-73.1-853.02162.9-10.9060.022101.1-76.3-2868.02374.622.74074.02470.3-5.680.0表5 X射線法復測結(jié)果 焊縫寬為27mm殘余應力測量點殘余應力距焊縫中心 mmxy142176023011543337484-20-90425322636675403074033248-8511189-95

18、-971210-76-103611-62-124012-189-100-613-188-148-1214-1854-18155440-24168025-30176649-36185333-42195145-48207337-54216462-60表6三峽4#大剛度試板焊態(tài)應力實測結(jié)果 焊縫寬約46mm殘余應力測量點 殘余應力（度）距焊縫中心mm12119.2-126.0-16101.52-27.0-167.7-1996.53-62.0-153.5-10904-9.4-188.0-2485.55-51.9-175.0-3978646.7162.0-3167721.8-135.91963.5825

19、9.6-397.6-3755.59359.228.51451.510338.4-435.5109441146.0-131.7-1539.51230.9-103.7163113-6.7-87.31132814-114.4-235.42221524.4-120.4511163.8-177.11561747.6-150.225118-29.9-204.1-461962.0-539.18913204.4173.421821-129.5-285.3-11252236.5-86.59129.523-13.5-62.9-1736.52478.2-178.11248.525510.319.95254.5261

20、59.5-145.026027-4.4192.81265.528-6.3-207.907129-14.5-240.687730-61.3-312.408321-12.0-236.6838932-19.5-256.8-794.5表7三峽4大剛度試#板580熱處理后應力實測結(jié)果 焊縫寬約46mm殘余應力測量點殘余應力（度）距焊縫中心mm121-22.9-83.8-4100.5226.8-65.8-2493.0326.3-58.0987.5422.2-73.8-2081.0557.0-102.5-4475.5635.8-135.6-3468.57162.7-16.01462.0890.812.215

21、7.09338.3-201.4651.010101.5-34.32346.51166.7-33.4038.51276.46.41433.01351.7-44.01131.01434.2-50.4025.51577.437.9218.51684.833.49112.51760.6-6.01086181151.543.510711965.2-9.206.52082.943.72112130.5-662519.52216.253.6-2122.02375.6-19.6-1929.02456.5-10.92535.02566.2-53.62141.526128.721-1947.027302.8-20

22、0.68452.028152.4-97.812455.02972.0-71.23259.53058.6-36.82566.53163.6904-671.53237.5-72.1-277933-11.6-113.6-2483.53448-21.839135-32.1-51.9-33963637.3-22.3-4104.5表8邦朗轉(zhuǎn)輪焊態(tài)上冠附近應力測試結(jié)果測點1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊縫中心（mm）147.0-127.251152122.5-36.176243117.6-36.87733.54-34.4-72.5125415-42.4-85122466-4.1-123.889517256

23、.9-76.049608133.7467669982.1-263.2112791061.4-65.3-1789表9邦朗轉(zhuǎn)輪熱處理后上冠附近應力測試結(jié)果測點1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊縫中心（mm）15.5-62.513316266.81.52225321.1-59.9-9344-131.0-199.4-32405-36.8-124.094456167.6131.3112527117.3-59.413361846.4-99.712070911.6-39.413281105.4-46.013492表10葉片靠上冠坡口處應力測試結(jié)果測點1（Mpa）2（Mpa）（度）離坡口線（mm）152.4-

24、22-369.5283.1-169.7-42193-33.8-84.015324121.1-155.7-3841575.1-188.81335260.1-40.01861728.1-147.4-3873889.67.15482913.8-39.01092.51068.3-23.821011193.341.7121101230.4-2421121表11三峽13#機15#葉片焊態(tài)上冠測量結(jié)果 焊縫寬約78mm測點1（Mpa）2（Mpa）（度）（mm）172.0-128.7112238.6-185.3-42143187.0-145.3-56194101.92.31128.5516.9-5014346-225.1-299.079397-30.4-91.3-10458230.6-306.166579347.410.1425410514.9-292.5525911321.4-115.01061.512204.7-262.22164131.5-113.919681416.1-19.5-12751515.3-49.9238416-21.3-44.37594173.2-43.427101表12 三峽13#15#葉片熱處理后上冠應力測量結(jié)果 焊縫寬約70mm測點1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊縫中心（mm）139.3-87.31512-91