溪洛渡水電站轉輪焊接殘余應力測試與分析

魏 松，程廣福，趙 鵬，劉 琪

（1. 水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

混流式轉輪由葉片、上冠與下環組焊而成，在轉輪結構制造過程中將產生焊接殘余應力，焊接殘余應力的大小及分布對混流式轉輪的抗疲勞性能有重要影響，較高的焊接殘余應力的存在嚴重影響轉輪的抗疲勞性能[1-3]。因此，在轉輪焊接完成后需要采用整體退火的方法來降低殘余應力峰值，并使殘余應力均勻化，以提高轉輪抗疲勞開裂的性能。

溪洛渡水電站位于金沙江上，是金沙江水電基地下游四個巨型水電站中最大的一個，共裝設 9臺770MW 混流式水輪發電機組，總裝機容量13860MW[4]。其中，哈爾濱電機廠有限責任公司（以下簡稱哈電）生產6臺機組。目前，絕大多數混流式轉輪均要求在焊后及熱處理后對其進行殘余應力測試，以此對焊接殘余應力水平及分布進行測試和分析，對熱處理效果進行評價。因此對哈電生產的溪洛渡4#轉輪焊后及熱處理后焊接殘余應力進行了測試和分析。

1 測試設備及方法

1.1 測試設備

采用盲孔應力釋放法對混流式轉輪進行殘余應力測試，測試設備包括：應力儀，型號：YC-Ⅲ型，如圖1所示；應力測量裝置，哈爾濱大電機研究所研制的轉輪專用應力測量裝置，如圖 2所示，與原有膠粘式測試裝置相比該設備具有以下特點：

（1）操作簡便，效率高。采用手柄式永磁鐵吸附固定，避免了用膠水粘結所產生的繁瑣操作程序，測試效率顯著提高，為原有設備的3倍以上；

（2）操作靈活，精度高。采用軟軸電鉆進行鉆孔，電鉆振動及擺動很小，有效保證鉆孔，而且采用軟軸電鉆，操作靈活；

（3）調節靈活，適用范圍大。調節部分能根據測試工作需要在高度、角度和方向上進行靈活地調節，增大了測試裝置的適用范圍，能夠有效解決轉輪殘余應力的測試盲區問題。

圖1 殘余應力測試儀

圖2 新型測試裝置

1.2 測試方法

混流式轉輪疲勞開裂主要發生在葉片出水邊與下環或者上冠連接處的T型焊接接頭區域[5,6]，同時，為了對轉輪焊接殘余應力進行詳細的測試與分析，因此對6#、12#、16#葉片的以下部位進行了測試：葉片進水邊與上冠接頭區域正、負壓面（圖3a），葉片出水邊與下環接頭區域負壓面（圖3b），葉片出水邊與上冠接頭區域負壓面（圖3c）。

在殘余應力測試過程中對葉片與下環以及葉片與上冠焊接接頭部位的焊縫、熔合區、熱影響區的焊態及整體熱處理后的殘余應力進行測試，由于疲勞開裂主要與垂直于焊縫方向的殘余應力有關，因此應變片沿焊縫垂直方向分布，測試點具體位置如表1所示，實際測試過程中的測點位置分布如圖3所示。

表1 測試點位置

圖3 葉片測試部位分布（以6#葉片為例）

2 測試結果與分析

焊后轉輪6#、12#、16#葉片各測試部位焊接殘余應力分布如圖4、圖5和圖6所示，可以看到，轉輪焊后殘余應力分布非常不均勻，拉、壓應力共存，而且具有較高的應力峰值，其中，最大拉應力可達400MPa以上，最大壓應力可達 300MPa以上。造成這種應力分布的主要原因是在轉輪的組焊過程中，多層多道焊接過程的不均勻溫度場分布，以及轉輪結構的較大剛度，造成了焊接接頭區域的應力集中和嚴重分布不均。

消除焊接殘余應力的最通用的方法是高溫回火，即將焊件放在熱處理爐內加熱到一定溫度（Ac1以下）和保溫一定時間，利用材料在高溫下屈服極限的降低，使內應力高的地方產生塑性流動，彈性變形逐漸減少，塑性變形逐漸增加而使應力降低。熱處理后6#、12#、16#葉片各測試部位焊接殘余應力分布如圖4、圖5和圖6所示，可以看到，轉輪經過消應力熱處理后，焊接過程產生的殘余應力得到釋放，轉輪整體殘余應力水平顯著降低，峰值降至 160MPa以下，而且殘余應力值波動減小，趨于均勻分布，熱處理效果顯著。

圖4 6#葉片殘余應力分布

圖5 12#葉片殘余應力分布

圖6 16#葉片殘余應力分布

3 結論

（1）采用盲孔應力釋放法對溪洛渡轉輪焊后及熱處理后焊接殘余應力進行了測試和分析，測試部位包括葉片進水邊與上冠接頭區域正、負壓面，出水邊與下環接頭區域負壓面及出水邊與上冠接頭區域負壓面的焊縫區、熔合區及熱影響區；

（2）測試結果表明轉輪熱處理消除應力效果顯著，可有效降低轉輪殘余應力水平，焊后殘余應力峰值較高且分布不均，熱處理后殘余應力峰值顯著降低，并且趨于均勻分布，熱處理效果良好。

[1]Huth H J. Fatigue design of the hydraulic turbine runners[D]. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology, 2005.

[2]Frunzverde D, Muntean S, Mrginean G, et al.Failure analysis of a Francis turbine runner[C]//25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, 2010: 20-24.

[3]姬書得, 方洪淵, 劉雪松, 等. 葉片應力狀態對混流式水輪機轉輪失效的影響[J]. 焊接學報, 2005,26(2): 52-55.

[4]李友平, 黃芳源, 李建斌. 溪洛渡水電站復議特水輪機模型及驗收試驗[J]. 大電機技術, 2011, (1):46-49.

[5]Carpinteri A, Brighenti R, Huth H J, et al. Fatigue growth of a surface crack in a welded T-joint[J].International Journal of Fatigue, 2005, 27(1): 59-69.

[6]Sabourin M, Thibault D, Bouffard D A, et al. New parameters influencing hydraulic runner lifetime[C]//25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, 2010:20-24.