盲孔法測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力

潘飛燕　陳　濤　方章法

(杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310022)

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盲孔法測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力

潘飛燕陳濤方章法

(杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江310022)

采用盲孔法測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子近表面的殘余應(yīng)力，并與切環(huán)法進(jìn)行比較。結(jié)果表明：不同加工階段，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面的殘余應(yīng)力大小及分布是不同的；盲孔法更能真實(shí)地反映汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子近表面的殘余應(yīng)力狀況；盲孔法測量殘余應(yīng)力，破壞性小，操作便捷，測量精度高。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子；盲孔法；殘余應(yīng)力

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)要經(jīng)過冶煉、鍛造、熱處理、機(jī)加工等工藝過程。轉(zhuǎn)子鍛件在生產(chǎn)過程中因受相變、外力和溫度等的作用不可避免會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)過去應(yīng)力熱處理后仍會有殘余應(yīng)力存在。殘余應(yīng)力的存在、釋放以及與外力的疊加都可能會影響轉(zhuǎn)子正常工作時的穩(wěn)定性，進(jìn)而對機(jī)組的運(yùn)行安全產(chǎn)生不良影響。因此，在有關(guān)轉(zhuǎn)子鍛件的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了允許殘余應(yīng)力的限值，該限值通常為轉(zhuǎn)子鍛件規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度下限的8%[1]。

殘余應(yīng)力的測試方法很多，目前國內(nèi)外普遍使用且較為成熟的有切環(huán)法、盲孔法、環(huán)芯法等機(jī)械方法，以及X射線法、中子衍射法、超聲波法、磁性法等物理方法[2]。對于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，國內(nèi)很多生產(chǎn)廠家一直采用切環(huán)法測量其殘余應(yīng)力。該方法是在轉(zhuǎn)子鍛件軸身切取25 mm×25 mm的應(yīng)力環(huán)，通過測量該應(yīng)力環(huán)在切割前后平均變形量的方法來計(jì)算25 mm深度范圍內(nèi)的平均周向殘余應(yīng)力。切環(huán)法是轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)中推薦的殘余應(yīng)力檢測方法，但存在以下缺點(diǎn)：無法測出轉(zhuǎn)子軸向殘余應(yīng)力及一定深度內(nèi)(近表面)的殘余應(yīng)力；需要機(jī)床的切割加工，破壞性大，測試周期長，效率較低；測量結(jié)果易受人為因素干擾。

盲孔法測量殘余應(yīng)力由Mathar J早在1934年首先提出，后經(jīng)長期不斷地研究、改進(jìn)和完善，已成為廣泛應(yīng)用的殘余應(yīng)力測量方法[3]。美國材料試驗(yàn)協(xié)會于1981年制訂了測量標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 837，后經(jīng)不斷修訂和補(bǔ)充。各國研究者也相繼對盲孔法作了大量的研究和分析工作，使其日趨完善。作為一種廣泛使用且十分便捷的測試方法，本文嘗試采用盲孔法測量汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)力，并就其適用性作一定探討。

1　 測試方法及工作原理

盲孔法是利用測量電阻應(yīng)變片的應(yīng)變來求得應(yīng)力。首先對測試轉(zhuǎn)子鉆一小孔，使小孔周邊區(qū)域的應(yīng)力全部或部分得到釋放，從而使小孔產(chǎn)生變形，而粘貼在轉(zhuǎn)子上的應(yīng)變片電阻絲就會伸長或縮短引起其電阻值變化，從而打破測試儀電橋平衡而產(chǎn)生微弱的電信號，通過放大電路將其放大后轉(zhuǎn)變成應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理，用盲孔法應(yīng)力計(jì)算公式得出應(yīng)力大小。

(1)

(2)

(3)

式中，ε1、ε2、ε3分別為三個方向釋放應(yīng)變；σ1、σ2分別為最大、最小主應(yīng)力；θ為σ與ε的夾角；E為材料彈性模量；A、B為釋放系數(shù)。

2　測試過程及步驟

2.1測試轉(zhuǎn)子

測試轉(zhuǎn)子材料為30CrMoNiV，鍛件編號為3623#，爐號為J140406，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7022—2014。成品化學(xué)成分見表1，室溫力學(xué)性能見表2。

半精加工后，轉(zhuǎn)子去應(yīng)力處理溫度為：640～650℃，保溫34 h，然后以15℃/h的速度爐冷至200℃，出爐空冷。

毛坯階段，去應(yīng)力處理后在轉(zhuǎn)子鍛件的軸身兩端(圖1的應(yīng)力環(huán)位置處)采用切環(huán)法進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果分別為9.20 MPa和13.03 MPa。

2.2測試位置

在轉(zhuǎn)子鍛件的中間和兩端共取6個測試帶，分別以A、B、C、D、E、F標(biāo)記，如圖1和圖2所示。每個測試帶上取兩個測試點(diǎn)(圓周方向間隔180°)，分別標(biāo)記為A1、A2，B1、B2，C1、C2，D1、D2，E1、E2，F(xiàn)1、F2。

2.3測試儀器和參數(shù)

儀器：HK21A應(yīng)力測試儀。應(yīng)變測量范圍：0～±32 767 με。分辨率：0.01 με。應(yīng)變片：120 Ω箔式應(yīng)變片，靈敏系數(shù)為2.08。電阻平衡范圍：≥0.5%。電源：交流50 Hz、220 V±22 V。盲孔直徑：1.5 mm，盲孔深度：2 mm。

表1　轉(zhuǎn)子成品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　轉(zhuǎn)子室溫力學(xué)性能

圖1　毛坯狀態(tài)測試帶分布

圖2　半精加工后及去應(yīng)力處理后測試帶分布

2.4測試步驟

用盲孔法測量轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)力，測點(diǎn)均選擇在轉(zhuǎn)子的表面。在轉(zhuǎn)子相應(yīng)的加工階段選取需測試的部位，做好標(biāo)記。用角磨機(jī)將所選部位打磨去除氧化層，打磨后表面無缺陷，且打磨過程試件不能發(fā)熱，以免影響其原有應(yīng)力大小。用砂紙拋光后，再用脫脂棉蘸無水乙醇將貼片部位擦洗干凈。然后用快干膠(如502膠水)粘貼應(yīng)變片。待粘貼牢固后，將接線板粘貼在應(yīng)變片附近，并將應(yīng)變片小心焊接到接線板上。接線完畢后，輸入轉(zhuǎn)子材料的彈性模量和泊松比后開始鉆孔，小孔直徑為1.5 mm，深度為2 mm。鉆孔完畢，待應(yīng)力釋放完全，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，導(dǎo)出測試結(jié)果，即得到殘余應(yīng)力值。

3　測試結(jié)果及分析

3.1轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力大小及分布

在“毛坯進(jìn)廠(粗加工后經(jīng)去應(yīng)力處理)”、“半精加工后”以及“去應(yīng)力處理后”3個階段分別進(jìn)行轉(zhuǎn)子每個測點(diǎn)的的殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果見表3。

表3　轉(zhuǎn)子不同階段的殘余應(yīng)力測試結(jié)果(MPa)

根據(jù)表3的測試結(jié)果，作出每個階段轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)力分布圖，見圖3～圖5。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

JB/T 7022—2014《工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件》規(guī)定：轉(zhuǎn)子鍛件的殘余應(yīng)力應(yīng)小于鍛件規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度下限的8%。試驗(yàn)所檢測轉(zhuǎn)子的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度下限為550 MPa，因此，轉(zhuǎn)子鍛件的殘余應(yīng)力值應(yīng)小于44 MPa。

在毛坯進(jìn)廠階段，轉(zhuǎn)子在鍛件廠已完成粗加工和去應(yīng)力處理，并于去應(yīng)力處理后在轉(zhuǎn)子鍛件

圖3　毛坯進(jìn)廠階段轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力分布

圖4　半精加工后轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力分布

圖5　除應(yīng)力后轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力分布

的軸身兩端(圖1的應(yīng)力環(huán)位置)采用切環(huán)法進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，測試結(jié)果為9.20 MPa和13.03 MPa，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求。但從盲孔法測試結(jié)果(見表3)可以看出，所有測試點(diǎn)的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，測試帶B和測試帶C的4個測試點(diǎn)殘余應(yīng)力值較高，超過了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。但不同的是，應(yīng)力環(huán)法測試結(jié)果表征的是25 mm深度范圍內(nèi)的平均周向殘余應(yīng)力，盲孔法測試結(jié)果表征的是近表面(深度2mm)的殘余應(yīng)力狀態(tài)。因此，兩者

間存在不一致性，盲孔法更能真實(shí)反映汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子近表面的殘余應(yīng)力狀況。

半精加工階段，從表3可以看出，測試點(diǎn)C1、C2和F2的應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槔瓚?yīng)力，各測點(diǎn)應(yīng)力值呈現(xiàn)不同程度的增大或減小。測試點(diǎn)A2及測試點(diǎn)C2的殘余應(yīng)力值略微超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。經(jīng)分析，這一階段應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力大小的改變與此階段進(jìn)行的機(jī)加工有關(guān)，轉(zhuǎn)子不同部位的機(jī)加工量和加工轉(zhuǎn)速有所不同，進(jìn)刀量小且轉(zhuǎn)速較高的加工，轉(zhuǎn)子表面通常表現(xiàn)為拉應(yīng)力，反之，則表現(xiàn)為壓應(yīng)力。

去應(yīng)力處理階段，其目的是消除加工過程中產(chǎn)生的切削應(yīng)力。由于加熱溫度低于相變溫度，在整個去應(yīng)力處理過程中不發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。內(nèi)應(yīng)力主要通過轉(zhuǎn)子在保溫和緩冷過程中得以消除。從表3可以看出，經(jīng)過去應(yīng)力處理后，所有測試點(diǎn)的殘余應(yīng)力值均降低到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值以內(nèi)。

從不同階段轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的分布情況(見圖3～圖5)可以看出，在毛坯進(jìn)廠階段以及半精加工階段，鍛造工藝和機(jī)械加工對轉(zhuǎn)子表面殘余應(yīng)力的分布影響較大，應(yīng)力整體分布是不均勻的。經(jīng)過去應(yīng)力處理，殘余應(yīng)力分布趨于均勻，任意兩點(diǎn)間的差值都在30 MPa以內(nèi)。

4　結(jié)論

(1)受機(jī)加工和熱處理的影響，不同階段汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子表面的殘余應(yīng)力大小和分布是不同的。

(2)盲孔法目前雖未納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但與切環(huán)法相比盲孔法更能真實(shí)反映汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子近表面的殘余應(yīng)力狀況。

(3)盲孔法測量殘余應(yīng)力，破壞性小，操作便捷，測量精度較高，可用于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的實(shí)際測量，建議在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)修訂時將盲孔法納入。

[1]JB/T 7022—2014 工業(yè)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件技術(shù)條件[S].

[2]王慶明，孫淵.殘余應(yīng)力測試技術(shù)的進(jìn)展與動向[J]. 機(jī)電工程，2011，28(1)：11-15, 41.

[3]Mathar J. Determination of residual stress by measuring the deformation around drilled holes. Trains of Amer. Soc. of Mech. Eng., 1934, 56：249-254.

編輯杜青泉

Determining Residual Stress of Steam Turbine Rotor by Blind Hole Method

Pan Feiyan, Chen Tao, Fang Zhangfa

The near-surface residual stress of steam turbine rotor has been measured by blind hole method and compared with the results of ring cutting method. The results show that the values and distribution of surface residual stress of steam turbine rotor are different with different process stages. Meanwhile, the tested results from the blind hole method can more really reflect the residual stress of rotors. The blind hole method can be used to measure the residual stress with small destructiveness, simple and convenient operation and high measuring accuracy.

steam turbine rotor; blind hole method; residual stress

2016—04—13

潘飛燕(1982—)，女，工程師，碩士，主要從事汽輪機(jī)材料開發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)化。

TH123+.4

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