水輪機轉輪焊接殘余應力研究

李雅范，宋 丹，姬書得，高秀玲，劉雪松，方洪淵

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150040；2. 沈陽航空工業學院，沈陽 110136；3. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040；4. 哈爾濱工業大學 現代焊接生產技術國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

前言

隨著機組的大型化，水輪機轉輪葉片裂紋問題也明顯增多，如二灘、五強溪、巖灘、小浪底、大朝山等電站機組投入運行一段時間后，轉輪葉片均相繼出現過斷裂事故。由于轉輪是水輪機的關鍵部件，它的質量直接影響水輪機機組的效率和使用壽命。同時，葉片裂紋問題嚴重威脅電站的安全運行，一些電站被迫幾個月停機并處理裂紋，大大降低了電站的經濟效益。

因此，轉輪開裂問題是困擾水電站運行的關鍵問題，該問題受到各方面的高度重視，國內外的科研工作者對此進行了大量的研究，研究結果表明：導致轉輪開裂的原因是多方面的，但應力過高是最為主要的原因。發生裂紋比例最高的是近些年新開發的高效率轉輪，特別是大型和巨型轉輪。大部分開裂屬于疲勞破壞，裂紋均發生在應力較高的下環（上冠）與葉片出水邊的連接焊縫或熱影響區，此部位也是水輪機運行中工作應力較高的部位，可以說明裂紋的發生是內應力和工作應力聯合作用的結果。一些轉輪葉片裂紋出現張開和錯位現象，裂紋沿著平行于焊縫向內部快速擴展，但如果裂紋擴展方向偏向本體，裂紋的擴展速度明顯減慢，甚至停止擴展。說明焊接殘余應力對疲勞裂紋的萌生和擴展影響很大。

本文采用數值模擬與試驗相結合的手段，通過局部加熱改變轉輪殘余應力分布，將危險區域的高殘余拉應力降低，甚至調整為壓應力。

1 焊后局部加熱的工藝方案

為了便于對比研究，分別選取了按原工藝進行焊接的葉片，以及按分段焊進行焊接的葉片，在加熱區域利用火焰加熱的方式進行加熱，如圖1所示。

圖1 轉輪葉片的加熱方式示意圖

具體的加熱參數如下所示：

（1）加熱氣體：采用乙炔氣體進行加熱；

（2）加熱面積：采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，且加熱長度是200mm，加熱寬度是100mm；

（3）加熱位置：加熱區域的邊緣離葉片出水邊或出水邊附近橫向殘余拉應力最高區域的距離控制在60～70mm；

（4）加熱溫度：由于轉輪的焊接熱處理的溫度不能高于590℃，因此將加熱溫度選擇為580℃；

（5）加熱時間：當葉片出水邊附近區域的溫度到達150℃左右時，加熱過程終止；

2 殘余應力測量方案

采用盲孔法進行了應力的測量，應力測量裝置是機械工業部鄭州研究所生產的YC-Ⅲ型應力測量儀。

圖2是應力測量位置分布圖，圖3是貼有應變片的轉輪局部放大圖。沿焊縫方向上共測5個點，每點的距離是30mm。

圖2 分段焊后應力測量位置分布圖

圖3 貼有應變片的轉輪實物局部放大圖

3 測試結果分析

轉輪產生疲勞裂紋甚至開裂的驅動力主要是垂直于焊縫方向的殘余拉應力，所以下面僅對此應力（σy）進行研究來說明局部加熱的效果。

局部加熱的試驗研究主要是在利用分段焊進行焊接葉片上進行的，加熱區域的邊緣到葉片出水邊的距離是150mm，如圖4所示。通過分析可知，局部加熱對葉片上殘余應力分布狀態的影響非常大，它在增加了加熱區域殘余應力的同時，大大降低了相鄰區域的殘余應力，降低效果與位置有關系。當到加熱邊緣的距離為70mm左右時，殘余應力的降低幅度最大。

圖4 σy沿平行于焊縫方向的分布

4 結論

對焊后的轉輪采用局部加熱—冷卻的方法，轉輪危險區域的殘余應力下降的效果比較明顯。降低效果主要與加熱時間成正比，殘余應力隨加熱位置的增大呈先降低后升高的趨勢，甚至可以變成壓應力。如果加熱位置選擇適當，可以起到降低葉片危險區域殘余拉應力的作用。反之，如果加熱位置控制不好的話，葉片危險區域的殘余應力反而會上升，導致葉片的抗裂性能下降。

[1]薛偉, 陳昭運. 水輪機葉片裂紋原因及預防措施研究[J]. 大電機技術, 2002.

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