水電站水輪機轉(zhuǎn)輪退火前后殘余應(yīng)力測試與分析

近年來，我國一些大型水電站機組相繼出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片振動異常、開裂等嚴(yán)重問題，引起了生產(chǎn)廠家的高度重視。在某水電站轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)開工前，轉(zhuǎn)輪制造商對轉(zhuǎn)輪焊接及退火工藝進行了詳細研討，同時，決定對轉(zhuǎn)輪焊接完成及整體退火后的殘余應(yīng)力進行對比測試，將測試結(jié)果作為檢查轉(zhuǎn)輪焊接及退火質(zhì)量的主要依據(jù)。本次轉(zhuǎn)輪葉片殘余應(yīng)力測試方法采用盲孔法。

水電站水輪機轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)、葉片整體到達現(xiàn)場組裝焊接。轉(zhuǎn)輪凈重約152t，最大直徑為6700,mm，總高3260mm，葉片數(shù)量為15片。轉(zhuǎn)輪材料為馬氏體不銹鋼，焊接材料為Z410Ni-MoTi-1焊絲。鋼材的極限拉扯強度為760MPa，屈服強度為550MPa。

測試設(shè)備

設(shè)備采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK精密殘余應(yīng)力鉆孔裝置組成。全軟件設(shè)置，自動實時計算殘余應(yīng)力，并實時顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，測量結(jié)果直觀明了，精度高。鉆孔直徑1.5mm，孔深2.0mm。

殘余應(yīng)力測試步驟

1. 測試部位的確定：測試部位應(yīng)選擇能代表焊接典型部位，選擇一個基準(zhǔn)，用記號筆大致標(biāo)出測點的位置。

2. 應(yīng)變片的粘貼：先用酒精棉清潔測試部位，然后用JH-496膠水將應(yīng)變片粘貼在測點位置上。適當(dāng)施壓，待膠水完全凝固后，將應(yīng)變片的接線腳揭起，粘上接線端子，然后將應(yīng)變片的接線腳焊在接線端子上。

3. 連接測試線：用6根測試線分別連接應(yīng)變片的3對可變形電阻絲與儀器的連接柱。連接測試線時，要注意接線的方向與對應(yīng)性。

4. 定位座的安裝與調(diào)試：安裝定位座首先要用放大鏡找到應(yīng)變片上鉆孔的中心點，并據(jù)此確定定位座的位置。

5. 儀器調(diào)試：預(yù)先將標(biāo)定好的釋放系數(shù)輸入到儀器中。完成前面工作后，按儀器的調(diào)零鍵，將儀器清零，即記住初始值。

6. 鉆孔 ：慢速鉆孔至2.0mm

7. 讀數(shù)與記錄：記錄儀器上的讀數(shù)，儀器可以自動將應(yīng)變值計算出應(yīng)力值。

測試結(jié)果分析

盲孔法殘余應(yīng)力測試結(jié)果見表1、表2。

1. 以上測試數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)輪退火前后的應(yīng)力水平不高。焊縫和熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力不高，但熔合線附近的殘余應(yīng)力相對較高。焊縫上某些測點的殘余應(yīng)力偏高，這可能是該位置局部組織不均勻造成的。

2. 退火后，大部分測點應(yīng)力值低于母材屈服強度的30%，且多數(shù)為壓應(yīng)力。應(yīng)力高的少數(shù)測點位于退火后補焊的部位。

3. 無論是退火前還是退火后，多數(shù)測點的應(yīng)力值都不高，均為壓應(yīng)力。這與轉(zhuǎn)輪焊縫金屬低溫馬氏體相變產(chǎn)生的體積膨脹有關(guān)。這種應(yīng)力狀況有利于提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能。

4. 退火處理后返修的部位出現(xiàn)了較高的殘余拉伸應(yīng)力，因此，應(yīng)采取措施，盡量避免退火處理后進行焊縫返修，或采取比較嚴(yán)格的返修工藝措施。為此，要求制造廠在后續(xù)轉(zhuǎn)輪退火前進行更嚴(yán)格的無損檢測，盡可能避免退火后產(chǎn)生焊縫缺陷。

從試驗結(jié)果可以看出，退火前轉(zhuǎn)輪焊縫的殘余應(yīng)力普遍不高。因此，從焊接殘余應(yīng)力的角度看，焊接材料的選用和焊接工藝是合理的。退火后轉(zhuǎn)輪焊縫的殘余應(yīng)力普遍較低，而且比較均勻，說明轉(zhuǎn)輪退火效果較好。