環芯法和X射線法測量大型輪盤鍛件的殘余應力

王慶偉

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

轉子鍛件是汽輪機組的核心部件，隨著機組容量增大，轉子鍛件的尺寸及重量不斷增加，如百萬千瓦級核電汽輪機整鍛低壓轉子需要600 t級鋼錠鍛制，國內乃至全球具備這種特大型鍛件穩定制造能力的重機廠亦是屈指可數。較整鍛結構轉子而言，核電低壓焊接結構轉子具有運行應力低，單個鍛件尺寸小、易于制造及超聲檢測可靠性高等優點，被世界上多家汽輪機制造廠商選用[1-3]。

行業標準一般要求，鍛件殘余應力不得超過其屈服強度下限值的8%[1]，核電焊接低壓轉子大型輪盤鍛件屈服強度要求不低于700 MPa，而殘余應力要求不超過40 MPa，較行業標準提出了更高的要求。因此，獲得符合標準要求的殘余應力是輪盤鍛件研制的難點之一。

殘余應力的測試方法很多，目前行業內比較認可的有切環法、盲孔法、環芯法等機械方法，也有X射線法、中子衍射法、超聲波法、磁性法等物理方法[2]。本文介紹的輪盤鍛件采購技術規范要求按JB/T 8888—1999采用環芯法測定，而本產品作為國產化首件，輔助采用了X射線法，共同證明鍛件的殘余應力確實處于較低水平。

1 測試方法

1.1 環芯法

環芯法是一種測試殘余應力的機械方法，JB/T 8888—1999有詳細介紹。環芯法的測試原理是通過對工件表面銑環槽，使測試區域與其余周邊本體“隔離”開，殘余應力得以釋放，粘貼在工件表面的應變片將變化的電信號模擬成應變值。測量前，需將應變片粘貼在工件表面之上，通過用環形刀頭包圍應變片在工件表面銑環槽，讀取銑槽2 mm深和4 mm深的應變值，通過公式計算出應變值。

JB/T 8888—1999銑環槽的直徑為15 mm，殘余應力計算公式如下：

σt=E{2.150×[εt(z=2 mm)-εt(z=4 mm)]+0.379×[εX(z=2 mm)-εX(z=4 mm]}

σX=E{0.379×[εt(z=2 mm)-εt(z=4 mm)]+2.150×[εX(z=2 mm)-εX(z=4 mm)]}

式中，σt、σX為轉子表面下2～4 mm深度范圍上的周向和軸向殘余應力，單位為MPa；為周向和軸向上應變值；E為轉子材料的彈性模量，單位為MPa。

1.2 X射線法

X射線法是一種測量殘余應力的物理方法，不改變工件的原始應力狀態。從1929年，X射線法測定殘余應力已開始在實驗室和工業界推廣。1961年德國的E.Mchearauch提出了X射線應力測定的sin2φ法，使X射線法在實際應用中前進了一大步。有成熟的國際標準、國家標準，如EN 15305—2008《無損檢測-用X射線進行殘余應力分析的測試方法》、ASTM E915—2010《用X射線進行殘余應力分析的測試方法》、GB/T 7704—2008《無損檢測X射線應力測定方法》。X射線法測試的基本原理是當工件中存在殘余應力時，晶面間距將發生變化，發生布拉格衍射時，產生的衍射峰也將隨之移動，而且移動距離的大小與應力大小有關。通過測量衍射線位移作為原始數據，所測得的結果實際上是殘余應變，再通過虎克定律計算出殘余應力。

GB/T 7704—2008中指出在二維應力情況下，殘余應力可由下式計算：

式中，σX為X方向的應力，單位為MPa；K為應力常數，單位為MPa/(°)；M為2θφX-sin2φ線的斜率；E為彈性模量，單位為MPa；μ為泊松比；φ0為入射X射線和試樣表面法線的夾角，φ為試樣表面法線和衍射晶面法線的夾角，θ0為無應力狀態下材料的X射線衍射角，θφX為材料的X射線衍射角，單位均為(°)。

X射線法檢測殘余應力取2 mm深處進行測試。

2 測試過程和步驟

2.1 產品信息

核電焊接低壓轉子輪盤的材料為25Cr2Ni2MoV，由200CK雙真空鋼錠經五火鍛造成型。粗加工尺寸為?3100 mm×1450 mm，重量約86 t。

對于殘余應力不超過屈服強度下限8%的常規標準來說，調質回火以≤11℃/h的速度緩慢冷卻，殘余應力值一般均可達到規范要求的數值，且后續可不需再進行去應力回火處理。但對于該輪盤，由于其具有較高的殘余應力要求，因此設計熱處理工藝方案時，采取了較穩妥的方案，即進行兩次回火，且第二次回火爐冷采用了分段限速冷卻的方式，目的就是盡可能釋放工件中的內應力，確保殘余應力合格。熱處理工藝示意圖見圖1。

圖1 核電焊接轉子輪盤性能熱處理工藝Figure 1 Heat treatment process of disk forgings for nuclear welding rotor

2.2 測試位置

輪盤鍛件性能熱處理后，待工件冷至室溫后即進行殘余應力測試。在工件上選取3點，其中2點距端面約200 mm，1點在中間位置，且3個位置同一圓周成120°作為環芯法的檢測點，即F、G及H點；另取3點，與環芯法測試3位置分別在同一圓周上，圓弧距離間隔約200 mm作為X射線法的檢測點，即F′、G′及H′點。測試位置詳見圖2。

圖2 殘余應力測試位置示意圖Figure 2 Sketch map of test position of residual stress

2.3 測試過程

2.3.1 環芯法

環芯法檢測設備為德國進口的RKV-18殘余應力試驗機。

測試前，應選好測試位置，并進行打磨去除表面氧化皮以及其他雜物。打磨位置盡可能平整光滑。固定好鉆機三腳架后，刻出應變片的張貼位置，將測試部分用無水乙醇擦拭后用快干膠將應變片貼穩。將應變片導線連接到主機后，開始銑環槽。鉆的過程盡可能緩慢，防止刀頭發熱。每銑0.5 mm，待數據穩定后，記錄。利用2 mm和4 mm深的應變數據按前述公式計算出殘余應力數據。應變值與槽的深度大體上呈線性關系，其余深度的數據供參考。

2.3.2 X射線法

X射線法檢測設備為日本Pulstec公司便攜式μ-X360型X射線應力儀。

測試前，在與環芯法測試的3個位置同一圓周間隔約200 mm處選取X射線法的測試位置。用Proto-8818型電解拋光機電化學腐蝕，參數為15 V、2 A，飽和NaCl水電解液，腐蝕2 mm深度。腐蝕完成后，調整X射線應力儀機頭對準檢測點。設備參數設定為儀器管電壓30 kV，管電流1 mA，Cr靶Kα輻射，準直管直徑2 mm，Fe(211)衍射晶面，平面探測器，焦離39 mm，2θ范圍23°，入射傾斜角35°，單次曝光模式，無應力衍射角156°。設備進入運行狀態，初始預熱90 s，預熱完成后自動采集數據、整理數據以及輸出結果。

3 測試結果與分析

按圖2所示位置，環芯法和X射線法分別完成該輪盤鍛件殘余應力檢測，測試的結果如表1所示。

由表1可見，兩種方法檢測得到輪盤的殘余應力值在-6.6～-30 MPa間，都為壓應力，絕對值都不超過40 MPa，符合采購技術規范要求。輪盤鍛件殘余應力值沿軸向方向呈現“中間高，兩頭低”的特點，即軸向中間位置G點的殘余應力值較高，兩個靠近端面位置F及H位置應力值較小。兩方法測試數據非常相近，可反映出該輪盤鍛件的真實殘余應力水平。

表1 殘余應力測試結果(單位：MPa)Table 1 Test result of residual stress (Unit:MPa)

4 結論

(1)性能熱處理過程中，采用兩次回火+分段限速冷卻方式可使核電低壓焊接轉子用大型輪盤鍛件獲得較小的殘余應力。

(2)環芯法和X射線法作為大鍛件殘余應力的測試方法都是可取的，都能真實反映鍛件的殘余應力水平。

參考文獻

[1] 王朋，霍鑫，丁玉明.核電汽輪機焊接轉子技術發展綜述.熱力透平[J].2015，44(4)：296-305.

[2] Bertilsson, J E Faber, G Duhnen.50 Years of Welded Rotors[J].Brown Boveri Review 1981(12): 467-473.

[3] Adolph Luthy.Some Advantages of Welding Turbine Rotors[J].Welding Journal, 1968(6)：461-474.

[4] JB/T 8708—1998 300MW以上汽輪機無中心孔轉子鍛件 技術條件[S].

[5] 王慶明，孫淵.殘余應力測試技術的進展與動向[J].機電工程，2011，28(1)：11-15，41.