蝸殼是水輪機重要的過流部件，它不僅承受電站運行期間的水壓力，還承受廠房上部結構傳遞的載荷。因此，必須要有足夠的強度和剛度才能確保電站的安全運行。

某電站1-6號水輪發(fā)電機單機容量650MW，蝸殼材料B610CF，板厚從鼻端到進口段從36-75mm逐漸加厚，進口直徑7.2m，最大設計內(nèi)水壓力為2.8MPa。通過設計計算和優(yōu)化分析，將蝸殼設計為充水保壓型。為檢驗蝸殼的整體結構強度和焊縫的焊接質(zhì)量，按照設計要求，對蝸殼進行了水壓試驗。為了解蝸殼結構在水壓試驗過程中的實際受力情況，選取1臺6號蝸殼，在蝸殼進行水壓試驗時對其進行結構應力測試。

水壓試驗應力測試成果及分析

測試儀器選擇聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應變儀，儀器設置全軟件操作，多通道應變值實時顯示，數(shù)據(jù)實時保存，自動生成報表。

電阻應變片選擇

所采用的應變片為兩向直角應變片，電阻為119.5±0.1Ω，柵長*柵寬為3mm*3mm，靈敏度系數(shù)為2.08±1%。

應變片粘貼技術

將需要貼片的金屬表面打磨平整，看到金屬光澤后，用0號紗布沿應變片粘貼方向輕輕打磨成45°的交叉條紋，用脫脂棉球擦洗表面，直至脫脂棉球無污漬，表明粘貼表面符合要求。

根據(jù)受力方向在金屬表面劃線，一般采用粘貼絕緣膠布的方法，這樣既實現(xiàn)劃線的目的，還可以避免應變片的連接金屬絲與金屬表面接觸。

在應變片上涂一層薄薄膠水，按設定方向粘貼在金屬表面上，用拇指隔一層塑料薄膜，均勻地按壓應變片，擠出多余的膠水。

將應變片的連接金屬絲焊接在連接端子上，然后通過連接端子引出導線。測試其絕緣電阻達500MΩ以上后方可使用，否則應查找原因重新粘貼。

采用靜態(tài)應變儀進行測試，引出導線有20cm即可，導線越短，受外界的干擾越小。將引出導線連接到應變儀上，用軟件進行調(diào)試。

應力測點布置

為了解電站蝸殼結構在水壓試驗過程中實際受力情況，選取1臺6號蝸殼進行結構應力測試。根據(jù)蝸殼設計計算結果，選取2個斷面進行應力測試，均為結構有限元分析結果中的應力相對較大的斷面，分別為第2節(jié)進水管斷面（I-I斷面）和第1節(jié)蝸殼斷面（Ⅱ-Ⅱ斷面）。在每個斷面的頂部、腰部、過渡板上各布置1個測點，共計6個測試點，均布置在外壁上。I-I斷面測點號為1、2、3，Ⅱ-Ⅱ斷面測點號為4、5、6，其中1和4測點位于過渡板上，2、3、5、6測點位于蝸殼管節(jié)部位上。

每個測試點布置1個兩向直角應變片，分別粘貼在管壁的環(huán)向受力和水流向受力方向上，用來測試應力的變化情況。本次實驗中，粘貼應變片角度規(guī)定水流方向為0°，環(huán)向為90°。

應力測試過程

水壓試驗前的所有準備工作完成后，開始充水，當蝸殼內(nèi)注滿水，并排除蝸殼內(nèi)的空氣且水壓力為0bar時，儀器調(diào)零，然后進行升壓。升壓過程：10bar→14bar→18bar→23bar→28bar→32bar→37bar→42bar，降壓過程：42bar→37bar→32bar→28bar→23bar→18bar→14bar→10bar，每當達到規(guī)定的壓力值時，保壓5min，當達到最大壓力42bar時，保壓30min。在水壓達到每個規(guī)定的壓力值時，儀器進行讀數(shù)，分析數(shù)值，并與計算值相比較，如應力值出現(xiàn)異常變化，應分析原因，采取相應措施，以達到應力測試的目的。

應力測試成果及分析

根據(jù)各斷面測點實測應力值和各測點的數(shù)據(jù)可得出以下結果：

1.當水壓力從10bar→42bar→10bar進行變化時，測點1最大主應力從22MPa→133MPa→28MPa變化，測點2最大主應力從55MPa→263MPa→58MPa變化，測點3最大主應力從59MPa→270MPa→65MPa變化，測點4最大主應力從21MPa→92MPa→17MPa變化，測點5最大主應力從61MPa→269MPa→62MPa變化，測點6最大主應力從50MPa→246MPa→53MPa變化。

以上說明，斷面各測點隨水壓力的增大而增大，應力變化與水壓力變化呈線性關系。

2.水壓力達到42bar時，測點1最大主應力為133MPa，最小主應力為69MPa，測點2最大主應力為263MPa，最小主應力為125MPa，測點3最大主應力為270MPa，最小主應力為145MPa，測點4最大主應力為92MPa，最小主應力為60MPa，測點5最大主應力為269MPa，最小主應力為133MPa，測點6最大主應力為246MPa，最小主應力為133MPa。

以上說明：內(nèi)水壓增加時，管壁環(huán)向承受拉應力，為最大主應力方向，但水流向也承受拉應力，其數(shù)值相對較小。當水壓力達到42bar時，斷面各測點所受最大主應力范圍為92-270MPa，最大應力位于第2節(jié)進水管斷面腰部測點（測點3），各測點最大應力均在安全范圍以內(nèi)。

3.當水壓力從10bar上升到42bar時，測點1應力的變化量為+111MPa，測點2應力的變化量為+208MPa，測點3應力的變化量為+211MPa，測點4應力的變化量為+71MPa，測點5應力的變化量為+208MPa，測點6應力的變化量為+196MPa。

當水壓力從42bar降低到10bar時，測點1應力的變化量為-105MPa，測點2應力的變化量為-205MPa，測點3應力的變化量為-205MPa，測點4應力的變化量為-75MPa，測點5應力的變化量為-207MPa，測點6應力的變化量為-193MPa。

以上說明：在斷面上的同一測點，水壓從10bar→42bar→10bar，應力變化量的絕對值基本相等，說明在水壓試驗過程中，應力數(shù)值的重現(xiàn)性較好，管壁所受應力無異常變化。

應力測試成果與有限元計算成果比較分析

應力測試結果中最大主應力方向為環(huán)向，因此對有限元計算的環(huán)向應力與應力測試結果中的最大主應力進行比較具有實際意義。這里僅以水壓力為42bar為例，對應力測試結果與有限元計算結果進行了比較。

假設以應力測試結果為基準，比較結果表明：當內(nèi)水壓為42bar時，實測值與計算值相對誤差范圍為5.7%-6.8%。考慮到實測過程中的測量誤差，有限元計算模型中單元劃分的多少，網(wǎng)格的細密程度以及約束的不同，都是導致實測值與計算值產(chǎn)生差別的因素，因此，應力測試結果與有限元計算結果基本吻合。

結語

1.在升壓過程中，蝸殼管壁膨脹，各測點均承受拉應力。

2.在水壓試驗過程中，各測點隨水壓力的增大而增大，隨水壓力的降低而減小，所受應力與水壓力基本呈線性關系。

3.當內(nèi)水壓增加時，蝸殼管壁環(huán)向承受拉應力，為最大主應力方向，但水流向也承受拉應力，其數(shù)值相對較小。

4.在水壓試驗過程中，應力數(shù)值的重現(xiàn)性較好，管壁所受應力無異常變化。

5.實測應力結果與有限元計算結果基本吻合。

6.當水壓力為42bar時，蝸殼所受應力在安全范圍以內(nèi)。