基于盲孔法的水輪機轉輪表面殘余應力試驗研究

許 闖 王家勝 程勝金

（1.華北水利水電大學工程訓練中心，鄭州 450000；2.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，鄭州 450000）

某水電站是雅礱江中游河段梯級開發的骨干電站之一。該水電站裝機容量1 500 MW，地下廠房內裝設4 臺375 MW 立軸混流式水輪發電機組[1]。其中，水輪機U1 轉輪由上海福伊特水電設備有限公司生產，轉輪最大直徑為6 987 mm，總質量為150 t。該水電站水輪機轉輪由15 個葉片組成，包括上冠和下環。該葉片是經過退火處理馬氏體的不銹鋼鑄件。為了評估該轉輪在經過退火后熱影響區域、熔合線附近區域以及焊縫區域殘余應力是否滿足標準要求，采用盲孔法對該轉輪殘余應力進行測試[2]。

1 測試方法和測試原理

采用盲孔法測試轉輪，鉆孔設備采用型號為ZDL-1 型的鉆孔儀；應變計為TJ120-1.5-φ1.5 型三向電阻應變花，應變花靈敏度系數為2.07；應變儀為鄭州機械研究所研發的YC-Ⅲ型應力測量儀，其面板如圖1 所示；鉆孔直徑為1.5 mm，孔深為2.0 mm。

盲孔法測量原理如圖2 所示。假設一個各向同性材料上某一區域內存在一般狀態的殘余應力場，其最大主應力和最小主應力分別為σ1和σ2，在該區域表面上粘貼一專用應變花，在應變花中心打一小孔，引起孔邊應力釋放，從而在應變花絲柵區域內產生釋放應變[3]，根據應變花測量的釋放應變計算殘余應力。

計算公式如下[4]：

式中：ε1、ε2、ε3為3 個方向釋放應變值；σ1、σ2為最大主應力、最小主應力；θ 為σ1與ε1的夾角；E為材料彈性模量，為205 000 MPa；A、B 為釋放系數。

殘余應力測定前，應在試驗室進行應變釋放系數的標定工作。標定試驗采用單向拉伸加載方式。對于馬氏體不銹鋼試板，標定前需進行900 ℃×6 h 的退火熱處理。標定過程中，需反復多次預加載標定的試樣，當應力加載至某一值時，判定三相電阻式應變花是否出現漂移現象，然后加載至30 s、70 s、90 s 進行鉆孔，讀取釋放應變值[5]。其中，標定系數A、B值可以按式（4）和式（5）進行求解。

式中：ε1、ε3為沿拉伸方向和垂直拉伸方向釋放應變值；σ 為加載應力值。

2 測點布置

在葉片進水邊和出水邊的焊接接頭部位布置測點，測點分別布置在焊縫區、熔合線附近區域和熱影響區。同一部位應變片中心距為30 mm。測試分為焊后熱處理前（48 個測點）和焊后熱處理后（48 個測點）兩個階段進行，共96 個測點。

根據葉片的焊接情況，選擇返修最少的一張葉片（12 號葉片，無返修）、返修最多的一張葉片（9 號葉片）、隨機抽取一張葉片（4 號葉片）以及1 處返修區域（5 號葉片負壓側進水邊與下環過渡處，距進水邊150 mm）進行熱處理前、后焊接殘余應力測試[6]。測試部位位于轉輪正壓側進水邊與上冠過渡處、轉輪正壓側進水邊與下環過渡處、轉輪負壓側進水邊與上冠過渡處、轉輪負壓側進水邊與下環過渡處以及出水邊與下環過渡處[7]。具體測點統計見表1，測點布置見圖3 和圖4。

表1 殘余應力測試點統計表

3 數據分析

由于盲孔法測點不能重復，熱處理前、后測點相距30 mm，故測試數據的對應性會有所不同，應在分析數據時予以考慮。其中，測點編號的含義如下：第一位數字表示葉片的編號；第二位字母中，C 表示上冠，B 表示下環；第三位字母中，P 表示葉片的正壓側，S 表示葉片的負壓側；第四位字母中，I 表示進水邊，O 表示出水邊，編號中有（B）的表示測點位于補焊位置上；最后一位數字中，1 表示熱影響區域，2 表示熔合線附近區域，3 表示焊縫區域。

4#葉片、9#葉片、12#葉片以及5#葉片測點熱處理前后殘余應力最大主應力對比圖，分別如圖5 ～圖8 所示。

通過試驗數據，可以看出：位于12#葉片上冠正壓側進水邊位置的12CPI3 測點在熱處理前的最大殘余應力測試值為545 MPa，經過熱處理后的殘余應力測試值為125 MPa，降低77%；經過熱處理后，最大殘余應力測試值為159 MPa，位于9#葉片上冠負壓側進水邊位置的9CSI1 測點；熱處理前的返修部位最大主應力值為492 MPa，熱處理后的主應力值為 -22 MPa，位于5# 葉片上冠負壓側進水邊位置的5CSI2（B）測點。

4 結語

通過盲孔法對熱處理前后轉輪的上冠、下環和15 片葉片應力結果對比可以得出：熱處理前后轉輪殘余應力最大主應力出現很大程度的降低；最大主應力呈現平緩趨勢。經過熱處理后的轉輪從較高的殘余拉應力轉變為較低殘余壓應力，大大改善了焊縫的抗疲勞性能，達到了良好的消除焊接殘余應力的效果。