水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征研究

1、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征研究陳兆斌 哈爾濱大電機(jī)研究所1 前言由于國(guó)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(kāi)裂。這便顯示出研究真機(jī)轉(zhuǎn)輪易萌生裂紋部位殘存應(yīng)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(guó)內(nèi)外很少有研究真機(jī)轉(zhuǎn)輪易裂部位應(yīng)力分布規(guī)律的專題報(bào)導(dǎo)。所以本文從試驗(yàn)室，對(duì)模擬轉(zhuǎn)輪焊接工藝試板研究入手。同時(shí)又在完全脫離試驗(yàn)室的條件下，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的真機(jī)轉(zhuǎn)輪，包括轉(zhuǎn)輪承載運(yùn)行出現(xiàn)裂紋后的應(yīng)力大小，分布規(guī)律及形貌變化特征進(jìn)行了全面細(xì)致研究。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)輪在裝機(jī)前，雖然經(jīng)過(guò)熱處理去應(yīng)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(gè)受焊接溫度和結(jié)構(gòu)剛度影響的局部拉應(yīng)力集中區(qū)，而這個(gè)拉應(yīng)力集中區(qū)，又剛好處在葉片易萌生裂紋部位，說(shuō)明殘存在葉片材料中局部拉應(yīng)力過(guò)高，才是導(dǎo)致葉片開(kāi)裂的主要原因之一。2 試驗(yàn)材料2.1 材料化學(xué)成分和機(jī)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(xué)成分見(jiàn)表1，熱處理工藝及機(jī)械性能見(jiàn)表2。表1化學(xué)成分CSiMnPSCrNiMo0Cr13Ni5MoHS13-5表2熱處理工藝及機(jī)械性能sMpasMpas%Akv0Cr13Ni5Mo950正火+600正火回火>508851855120130HS13-

3、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(duì)焊縫橫截面應(yīng)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(gòu)剛度，特將剛度板中間挖空呈框架結(jié)構(gòu)，并將試板四周定位加固后，再對(duì)坡口進(jìn)行施焊。大剛度試板裝配尺寸及接頭方式見(jiàn)圖1，焊接工藝（略）。焊接參數(shù)見(jiàn)表3A400650320300550280±26040600A表3 焊接參數(shù)焊絲電壓（V）電流（A）焊速/min223220028015453 試驗(yàn)方法及測(cè)試點(diǎn)的選擇3.1試驗(yàn)方法 試驗(yàn)方法選用盲孔釋放法。應(yīng)力測(cè)量?jī)x

4、型號(hào)：YC型應(yīng)力測(cè)量?jī)x；應(yīng)變花型號(hào)：；孔徑1.5mm，孔2mm。鉆孔裝置選用本所研制的轉(zhuǎn)輪專用應(yīng)力測(cè)量裝置。因?yàn)椴捎矛F(xiàn)有的應(yīng)力測(cè)量裝置，很難適用于測(cè)量轉(zhuǎn)輪葉片易裂部位狹窄幾何空間的殘余應(yīng)力值。同時(shí)采集遠(yuǎn)離葉片易裂部位的應(yīng)力值，又不能代表空間狹窄部位的真實(shí)應(yīng)力值。所以只有研制一種適用測(cè)量幾何空間狹窄的專用測(cè)量裝置，才能采集到葉片出水邊易裂部位的真實(shí)應(yīng)力數(shù)據(jù)。才能真實(shí)、直觀的了解易裂部位殘余應(yīng)力值的大小，分布規(guī)律及形貌變化特征。轉(zhuǎn)輪專用應(yīng)力測(cè)量裝置圖（略）。3.2 應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)的選擇由于真機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋，多出現(xiàn)在焊縫附近。并近似平行焊縫方向擴(kuò)展。所以在研究裂紋萌生力時(shí)，必須以研究垂直焊縫方向力為主。但在

5、實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)輪時(shí)，盡管專用測(cè)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(wú)法測(cè)量的死區(qū)。為采集死區(qū)應(yīng)力值，只能因地制宜地以焊縫中心為參考點(diǎn)，并與焊縫方向呈一定夾角進(jìn)行布點(diǎn)。這樣，盡管死區(qū)各測(cè)點(diǎn)不在垂直焊縫的同一直線上，但確能真實(shí)地反映出葉片距焊縫中心各不同點(diǎn)距上的真實(shí)應(yīng)力值的大小，分布規(guī)律及形貌變化特征。焊縫死區(qū)布點(diǎn)示意圖（略）4 試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1試板試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1.1受拘束剛度較小試板試驗(yàn)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(yīng)力變化規(guī)律。首先對(duì)只焊支承拉筋的試板進(jìn)行實(shí)測(cè)。同時(shí)為驗(yàn)證盲孔法研究焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力的效果，又用X射線法對(duì)同

6、屬2#試板進(jìn)行復(fù)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果：用盲孔實(shí)測(cè)2#試板的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。應(yīng)力分布及形貌變化見(jiàn)圖2。用X射線法復(fù)測(cè)2#試板的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)圖3。結(jié)果討論與分析1 根據(jù)應(yīng)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(yīng)力是完全處在受壓狀態(tài)。只有進(jìn)入母材區(qū)，壓應(yīng)力才出現(xiàn)反向，并呈受拉狀態(tài)。2 對(duì)比應(yīng)力變化規(guī)律曲線圖2和圖3可看出，雖然兩種應(yīng)力測(cè)量方法不同。但實(shí)測(cè)應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征確相同。說(shuō)明：在研究焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)，無(wú)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(yàn)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(yīng)力變化規(guī)

7、律，包括熱處理溫度對(duì)焊態(tài)原始應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征的影響。又對(duì)大剛度試板進(jìn)行了焊態(tài)原始應(yīng)力和熱處理去應(yīng)力后的對(duì)比研究。試驗(yàn)結(jié)果：4#大剛度試板焊態(tài)原始狀態(tài)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)圖4。經(jīng)580熱處理后實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)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(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征是：在焊縫區(qū)應(yīng)力水平是處在拉、壓互存狀態(tài)。在熔合線和熱影響區(qū)，則完全是處在受壓狀態(tài)。在遠(yuǎn)離熔合線的母材部位，則殘存一個(gè)較高的拉應(yīng)力（峰）集中區(qū)。說(shuō)明遠(yuǎn)離熔合線母材部位的應(yīng)力集中，應(yīng)是由于材料受拘束剛度和焊接溫度等影響所致。2 對(duì)比圖4和圖5可

8、看出，試板經(jīng)580去應(yīng)力處理后，雖然可使部分應(yīng)力得到了重新調(diào)整和降低，但并沒(méi)改變焊態(tài)原始應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征。說(shuō)明580熱處理，只能重新調(diào)整部分殘余應(yīng)力，而并不能改變焊態(tài)原始應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征。4.2 真機(jī)轉(zhuǎn)輪出水邊易萌生裂紋部位應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與分析研究真機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片易萌生裂紋部位殘余應(yīng)力值的大小，應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征，比在試驗(yàn)室研究試板更具有真實(shí)性和代表性。盡管所研究的轉(zhuǎn)輪由于受直徑大小、結(jié)構(gòu)剛度、焊接工藝，包括焊縫填充金屬與母材的化學(xué)成分及物理性能等不同，而對(duì)應(yīng)力所帶來(lái)差異，但它確是在完全脫離實(shí)驗(yàn)室的條件下，是綜合材料鑄造應(yīng)力，加工應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接應(yīng)力，包括熱處理去應(yīng)力

9、的最終效果。所以只有認(rèn)識(shí)真機(jī)轉(zhuǎn)輪易裂部位的應(yīng)力來(lái)源，應(yīng)力值的大小、變化規(guī)律才能采取必要的手段來(lái)防止裂紋的產(chǎn)生。邦郎轉(zhuǎn)輪熱處理前、后易裂部位應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)文中表8和表9應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)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(yīng)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)只存在有122.5MPa的拉應(yīng)力，在熔合線和熱影響區(qū)，則殘存有-42.4MPa的壓應(yīng)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(gè)256.9MPa的拉應(yīng)力集中區(qū)。說(shuō)明同種金屬焊接轉(zhuǎn)輪應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征是：在焊縫區(qū)殘存拉應(yīng)力并不高，在熔合線和熱影響區(qū)，則完

10、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(gè)較高的拉應(yīng)力集中區(qū)。2 對(duì)比圖6和圖7可明顯看出，邦郎轉(zhuǎn)輪經(jīng)580去應(yīng)力處理后，雖然應(yīng)力值略有變化，但并沒(méi)有改變焊態(tài)原始應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征。4.2.2 跟蹤三峽轉(zhuǎn)輪應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與分析為探討轉(zhuǎn)輪葉片易裂部位應(yīng)力來(lái)源，首先對(duì)三峽機(jī)組準(zhǔn)備組裝前的打磨加工葉片進(jìn)行實(shí)測(cè)。然后再跟蹤研究葉片易裂部位應(yīng)力變化規(guī)律，包括熱處理溫度對(duì)焊態(tài)原始應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征的影響。測(cè)量結(jié)果：組焊前葉片上冠坡口處應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表10。應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)圖8。組焊后三峽13#機(jī)15#葉片焊態(tài)和熱處理后應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表11、12。應(yīng)力分布規(guī)律

11、及形貌變化特征見(jiàn)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(yīng)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(rèn)為：這種應(yīng)力分布規(guī)律，是葉片經(jīng)表面打磨加工，由手動(dòng)砂輪左右擺動(dòng)拉或壓所致。2 對(duì)比圖8和圖9可看出。組焊后靠焊縫葉片易裂部位，并沒(méi)反映出原始表面打磨加工應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征。說(shuō)明材料表面打磨加工應(yīng)力，在焊接溫度效應(yīng)下，并不影響焊接應(yīng)力變化規(guī)律及形貌變化特征。3 對(duì)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(méi)有改變焊態(tài)原始應(yīng)力變化規(guī)律及形貌特征。對(duì)比表11和表12可知，轉(zhuǎn)輪經(jīng)熱處理后，雖然拉應(yīng)力集中

12、區(qū)的應(yīng)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(yīng)力。說(shuō)明三峽轉(zhuǎn)輪雖然經(jīng)過(guò)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(gè)較高的局部拉應(yīng)力集中區(qū)。4.2.3 轉(zhuǎn)輪承載運(yùn)行出現(xiàn)裂紋后應(yīng)力測(cè)量結(jié)果與分析為探討轉(zhuǎn)輪承載運(yùn)行出現(xiàn)裂紋后，葉片易裂部位應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征。包括應(yīng)力值的大小，與萌生裂紋的關(guān)系。在萬(wàn)家寨2#機(jī)上，對(duì)已產(chǎn)生裂紋和沒(méi)產(chǎn)生裂紋的葉片進(jìn)行對(duì)比研究。實(shí)測(cè)結(jié)果：2#機(jī)沒(méi)發(fā)現(xiàn)裂紋的M#葉片應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表13。應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)圖11。已發(fā)生裂紋后經(jīng)補(bǔ)焊的A#葉片應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表14。應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征見(jiàn)文中圖12。結(jié)果討論

13、與分析1 從圖11可看出，沒(méi)發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋的M葉片應(yīng)力變化規(guī)律是：在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的拉應(yīng)力并不高，在受焊縫溫度影響的母材易裂部位，則殘存一個(gè)較高的拉應(yīng)力集中區(qū)，并以應(yīng)力平臺(tái)形貌出現(xiàn)。由表13可知，該拉應(yīng)力平臺(tái)距焊縫中心為5467mm，平臺(tái)寬約為13mm，平臺(tái)應(yīng)力值為390.4394.9MPa。2 對(duì)比已產(chǎn)生裂紋，后經(jīng)補(bǔ)焊的A#葉片應(yīng)力曲線圖12和圖11可看出，盡管5#測(cè)量點(diǎn)因受補(bǔ)焊影響，應(yīng)力值略偏高，但如果去除該點(diǎn)的假象(見(jiàn)虛線)，則仍然會(huì)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(yīng)力平臺(tái)是出現(xiàn)在距焊縫中心4055mm區(qū)間，平臺(tái)寬約為15mm，平臺(tái)值應(yīng)在403.7MPa

14、左右。3 針對(duì)應(yīng)力平臺(tái)分析認(rèn)為，兩個(gè)葉片應(yīng)力平臺(tái)，最初均應(yīng)以應(yīng)力峰的形貌出現(xiàn)。承載運(yùn)行后，之所以會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力平臺(tái)。是因?yàn)樵摼植奎c(diǎn)或線的動(dòng)應(yīng)力與殘存應(yīng)力疊加，已超過(guò)材料的屈服極限。并產(chǎn)生局部塑性變形。當(dāng)工作載荷（停機(jī)）去除后，局部已經(jīng)發(fā)生塑性變形的點(diǎn)或線，就不能恢復(fù)原來(lái)形狀。只能伴隨彈性應(yīng)變曲線得到重新平衡，最終便以應(yīng)力平臺(tái)形貌殘留在靜態(tài)應(yīng)變曲線中。 5 結(jié)論1 同種金屬焊接轉(zhuǎn)輪應(yīng)力分布規(guī)律及形貌變化特征是：<1>在焊縫區(qū)殘存一個(gè)焊接拉應(yīng)力（峰）集中區(qū)，通常情況下該拉應(yīng)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

15、，殘存一個(gè)較高的拉應(yīng)力集中區(qū)，而這個(gè)較高拉應(yīng)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(jī)運(yùn)行前，雖然經(jīng)過(guò)熱處理去應(yīng)力處理，但在葉片距焊縫中心4067mm區(qū)間仍然殘存一個(gè)受焊接溫度和結(jié)構(gòu)剛度影響的高拉應(yīng)力集中區(qū)。說(shuō)明該局部拉應(yīng)力過(guò)高是導(dǎo)致裂紋萌生的一個(gè)主要原因。3 轉(zhuǎn)輪經(jīng)承載運(yùn)行，致使葉片受焊接溫度影響的局部應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生塑性變形后，應(yīng)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(gè)較寬的拉應(yīng)力平臺(tái)。表4 2#試板測(cè)量結(jié)果 焊縫寬為27mm 殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn) 殘余應(yīng)力（度）距焊縫中心 mm121162-433-34-21565-26-1768493510-43112122313-11

16、4131510016-2617-81811619020-821022-28234024表5 X射線法復(fù)測(cè)結(jié)果 焊縫寬為27mm殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)殘余應(yīng)力距焊縫中心 mmxy142176023011543337484-20-90425322636675403074033248-8511189-95-971210-76-103611-62-124012-189-100-613-188-148-1214-1854-18155440-24168025-30176649-36185333-42195145-48207337-54216462-60表6三峽4#大剛度試板焊態(tài)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果 焊縫寬約46mm殘余應(yīng)

17、力測(cè)量點(diǎn) 殘余應(yīng)力（度）距焊縫中心mm121-162-193-10904-245-39786-31677198-37914101094411-1512163113113281422215511161561725118-461989132021821-1125229123-172412255226260271228071298773008321838932-7表7三峽4大剛度試#板580熱處理后應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果 焊縫寬約46mm殘余應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)殘余應(yīng)力（度）距焊縫中心mm121-42-24394-205-446-347148196102311012141311140152169117108618107

18、11902021121-662522-2123-19242525212621-192784281242932302531904-632-277933-24344839135-339636-4表8邦朗轉(zhuǎn)輪焊態(tài)上冠附近應(yīng)力測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn)1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊縫中心（mm）15115276243774125415-85122466895174960846766991127910-1789表9邦朗轉(zhuǎn)輪熱處理后上冠附近應(yīng)力測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn)1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊縫中心（mm）113316222253-9344-3240594456112527133618120709132811013492表10葉片靠上冠坡口處應(yīng)力測(cè)試結(jié)果測(cè)點(diǎn)1（Mpa）2（Mpa）（度）離坡口線（mm）1-22-362-4219315324-3841513352618617-387385482910102