高壓筒形缸水壓試驗過程中紅套環(huán)應(yīng)變測試研究

楊長柱，王敬，黃令

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

高壓筒形缸水壓試驗過程中紅套環(huán)應(yīng)變測試研究

楊長柱，王敬，黃令

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章簡要介紹了應(yīng)變測試在紅套環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用，闡述了電測法和電阻應(yīng)變計的測試原理、應(yīng)變測試步驟以及測試過程需要注意的問題，并介紹了高壓筒形缸水壓試驗過程中紅套環(huán)的應(yīng)變測試過程、測試結(jié)果及誤差分析，實際結(jié)果表明應(yīng)變測試是檢測紅套環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要手段，對其安全評估具有重要作用。

筒形缸，紅套環(huán)，應(yīng)變測試

0 引言

東方汽輪機有限公司最新開發(fā)的華潤焦作660 MW項目高壓內(nèi)缸采用筒形缸結(jié)構(gòu)設(shè)計，無水平中分面法蘭，上下缸為半圓筒形結(jié)構(gòu)，不用螺栓把合，而是用7個紅套環(huán)箍緊。高壓內(nèi)缸裝配工序是先將高壓轉(zhuǎn)子平置于內(nèi)缸中，將紅套環(huán)用環(huán)形火焰加熱，利用液壓千斤頂快速更換支承，依次將紅套環(huán)安裝就位，冷卻后將內(nèi)缸緊緊箍住，確保運行中在任何工況下無蒸汽泄漏。

筒形缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠減小高壓外缸的體積，汽缸總裝在制造廠完成，能夠保證裝配精度，并能夠有效防止運行時中分面變形導(dǎo)致的蒸汽泄漏。對于首臺機組，高壓內(nèi)缸需要進(jìn)行水壓試驗，確保試驗壓力下無泄漏。水壓試驗時紅套環(huán)會承受較大的力，在設(shè)計階段利用數(shù)值分析的方法對紅套環(huán)的應(yīng)力進(jìn)行了計算，但在有限元計算中，很難做到邊界條件與實際情況相一致，也不能很好地計算出應(yīng)力集中情況，應(yīng)用電阻應(yīng)變計測量技術(shù) （電測法）能直接測試出水壓試驗過程紅套環(huán)的應(yīng)力變化情況，可以很好地解決有限元計算難以解決的問題，在校核設(shè)計的同時也能改進(jìn)設(shè)計。

1 電測法和電阻應(yīng)變計原理

電測法是以電阻應(yīng)變計為傳感元件，將其粘貼在被測構(gòu)件的測點處，使其隨同構(gòu)件變形將構(gòu)件測點處的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻應(yīng)變計的電阻變化，便可確定測點處的應(yīng)變，然后按胡克定律計算得其應(yīng)力[1]。電測法是應(yīng)力測試方法中最為成熟、常用的一種，其優(yōu)點有[2-3]：

（1）傳感元件小：電測法中作為傳感元件的電阻應(yīng)變計，尺寸和重量都比較小 （目前最小柵距為0.2 mm），安裝 （如粘貼）方便，可以粘貼到物體的很小部位上，測取局部應(yīng)力，而且可以不計電阻應(yīng)變計的慣性影響，不會干擾被測構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)。

（2）測試精度高：最小可達(dá)10-6（微應(yīng)變，μm/m），常溫靜態(tài)應(yīng)變測量精度可達(dá)1%～2%。

（3）測試應(yīng)變量程大：一般為1%～2% （104～2 ×104μm/m），特殊的大應(yīng)變電阻應(yīng)變計可測量10%～25% （105～2.5×105μm/m）應(yīng)變量。

（4）頻率響應(yīng)快：可測量靜態(tài)到5×105Hz的動態(tài)應(yīng)變。

2 應(yīng)變測試流程

應(yīng)變測試流程按實施階段可分為3步：測試準(zhǔn)備、實施測試、結(jié)果分析[4]。

2.1 測試準(zhǔn)備

選擇測試點：可以從以下幾個方面綜合考慮：

（1）根據(jù)有限元計算結(jié)果選擇應(yīng)力值較大的點；

（2）選擇表面曲率變化大的點，如圓角部位等；

（3）選擇用力學(xué)公式可以計算出應(yīng)力值的點，如矩形截面部位，這樣做可以用理論值與測試值比較，以便驗證測試結(jié)果的可靠性；

（4）容易布置應(yīng)變計的位置。

測試點選擇完成后，分析每一點的應(yīng)力狀態(tài)，統(tǒng)計出所需應(yīng)變計的型號與數(shù)量，一般應(yīng)變計的數(shù)量不少于測點數(shù)的1.2倍。

應(yīng)變計的篩選：應(yīng)變計要選擇同一批次同一型號，應(yīng)變計電阻R的離散度要小，靈敏度系數(shù)K要一致。根據(jù)構(gòu)件受力狀況，單向應(yīng)力測點布置單軸應(yīng)變計，主方向已知的平面應(yīng)力狀態(tài)測點布置雙軸應(yīng)變計，主方向未知的采用三軸應(yīng)變計或應(yīng)變花。

導(dǎo)線準(zhǔn)備與檢查：每根導(dǎo)線型號一致，測量導(dǎo)線無斷點。

測試準(zhǔn)備完成后整理出測試方案。包括測點位置及點編號、測試儀器、電阻應(yīng)變計數(shù)量、導(dǎo)線長度、測試工況等。

2.2 實施測試

2.2.1 現(xiàn)場勘查

對照測試方案勘查測試現(xiàn)場構(gòu)件周圍環(huán)境，及時調(diào)整測點與電纜編號，完善測試方案。

2.2.2 應(yīng)變計粘貼

參照圖紙定位測試點、劃線，打磨、清洗測試部位，粘貼應(yīng)變計，需注意要沿構(gòu)件主應(yīng)力方向粘貼，不同的粘貼位置和方向?qū)?yīng)力測試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。目前市場上有多種應(yīng)變膠可供選擇，如無特殊要求，只按適合應(yīng)變計基底選擇即可，同時注意固化時間，如果沒有嚴(yán)格控制試驗周期，可選擇固化時間較長的應(yīng)變膠，以提高粘貼韌性，獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2.2.3 測試系統(tǒng)調(diào)試

按照測試方案，將導(dǎo)線與測試儀器連接起來，調(diào)整測試儀器，檢查測試通道是否正常。

2.2.4 實施應(yīng)力測試

按照測試要求在不同工況下采集測試數(shù)據(jù)，應(yīng)力測試過程中需要特別關(guān)注應(yīng)力值較大的點，一旦應(yīng)力值超出金屬結(jié)構(gòu)材料的屈服強度，就需要停止試驗，待整改后再繼續(xù)進(jìn)行試驗。

2.3 結(jié)果分析

電阻應(yīng)變計測試出的是應(yīng)變值，一般情況下要換算成應(yīng)力值?？捎闷矫鎽?yīng)力公式計算：

式中：E為材料的彈性模量；μ為泊松系數(shù)；ε0、ε45、ε90為應(yīng)變計3個方向的應(yīng)變測試值。

對于有理論值的測點，可用理論值和測試值相比較，驗證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果是分段加載測試，也可以驗證測試值的線性度。

3 紅套環(huán)應(yīng)變測試過程

3.1 測試對象

本次試驗對象為高壓內(nèi)缸紅套環(huán)，材料為鎳鉻鉬釩超純凈合金鋼，彈性模量E=216 GPa，主要測試紅套環(huán)安裝完成后，進(jìn)行水壓試驗時部分紅套環(huán)的應(yīng)力情況。測試現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 測試現(xiàn)場

3.2 測試儀器及應(yīng)變計

測試儀器為7V14C靜態(tài)應(yīng)變測試儀，電阻應(yīng)變計為BE120-4BC（11）雙向溫度自補償應(yīng)變計，敏感柵尺寸4.1×1.9 mm，基底尺寸9.5×9.5 mm，阻值120 Ω，應(yīng)變膠型號為H710。

3.3 測點布置

測點布置如圖2所示，測點數(shù)量共72個（#1～72點），測點上均粘貼雙向應(yīng)變計。測點布置在2、4、6號紅套環(huán)，沿圓周均布于4個方向的相同位置，每個方向布置3個測點，其中外環(huán)1個，粘貼方向為圓周方向和軸向；單一側(cè)面2個，粘貼方向為圓周方向和徑向。

圖2 測點布置圖

3.4 試驗過程

2013年8月19～21日進(jìn)行測點布置、粘貼應(yīng)變計、引線、系統(tǒng)調(diào)試等工作。8月22日高壓內(nèi)缸進(jìn)行水壓試驗，同時對紅套環(huán)在不同水壓下的應(yīng)變進(jìn)行采集。水壓的變化曲線如圖3所示。

圖3 試驗壓力曲線圖

水壓試驗中等待水壓穩(wěn)定后進(jìn)行應(yīng)變采集，每種水壓狀態(tài)采集數(shù)據(jù)2次，試驗共采集了26次應(yīng)變數(shù)據(jù)。

4 測試結(jié)果及誤差分析

4.1 測試結(jié)果

測試數(shù)據(jù)處理過程：首先將同一過程和同一水壓的2次采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，再將升降過程相同壓力下的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，對每個紅套環(huán)圓周均布的4個位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，最后得出相應(yīng)位置不同試驗壓力下的應(yīng)變值。再通過計算將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的應(yīng)力值。從分析數(shù)據(jù)看出，數(shù)據(jù)重復(fù)性好，線性度高。測試結(jié)果如下：

（1）工作壓力下，徑向應(yīng)力變化值小于20 MPa，周向應(yīng)力變化值小于35 MPa，軸向應(yīng)力變化值小于15 MPa。

（2）極限壓力下，徑向應(yīng)力變化值小于30 MPa，周向應(yīng)力變化值小于50 MPa，軸向應(yīng)力變化值小于15 MPa。

將每個紅套環(huán)的6個位置的應(yīng)力絕對變化值進(jìn)行對比，如圖4～6所示。從圖中可以看出，各紅套環(huán)應(yīng)力變化最大位置均為靠近內(nèi)缸側(cè)的周向，最小則為外圓軸向位置?？傮w看測試的3個紅套環(huán)應(yīng)力變化值從大到小為2號、4號、6號。

圖4 2號紅套環(huán)應(yīng)力

圖5 4號紅套環(huán)應(yīng)力

圖6 6號紅套環(huán)應(yīng)力

4.2 誤差分析

誤差影響主要有以下幾點：

（1）應(yīng)變計柵長選擇：應(yīng)變計是以柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變來表示這一長度內(nèi)某點的應(yīng)變的。其誤差由柵長大小和其力應(yīng)變梯度決定。原則上在誤差允許的條件下應(yīng)選擇柵長較大的應(yīng)變計 （柵長越小橫向效應(yīng)越大）。本次測試的構(gòu)件較大，所以選擇尺寸較大的應(yīng)變計，以減少誤差。

（2）溫度影響：由于環(huán)境及被測構(gòu)件溫度的變化，使應(yīng)變計阻值發(fā)生變化，進(jìn)而影響測試結(jié)果，可采用溫度補償塊進(jìn)行修正，也可選擇帶有溫度自補償功能的應(yīng)變計。本次測試使用溫度自補償應(yīng)變計，粘貼和接線相對簡單。

（3）粘貼方向影響：應(yīng)變計粘貼的方向如果與測點要求的方向不重合，則會給測量結(jié)果帶來誤差，應(yīng)變計粘貼時盡量沿測試方向粘貼。

（4）長導(dǎo)線影響及其修正：本次測試構(gòu)件尺寸大，同時考慮水壓試驗時的安全性，測試儀器與高壓內(nèi)缸需要保證一定的距離，這就需要很長導(dǎo)線 （10 m左右）連接應(yīng)變計和測量儀器。這時導(dǎo)線電阻RL與應(yīng)變計電阻R相比不可忽略，導(dǎo)線分布電容較大將影響應(yīng)變測量結(jié)果，導(dǎo)線電阻存在會使應(yīng)變測量值偏小，可采取三線制接線方式來消除導(dǎo)線電阻帶來的誤差。

（5）應(yīng)變測量儀器：靜態(tài)應(yīng)變測量儀器主要的工作特性是基本誤差和穩(wěn)定性，測量前應(yīng)檢測測量儀器的基本誤差和穩(wěn)定性。7V14C靜態(tài)應(yīng)變儀基本誤差為±0.5%，穩(wěn)定性為4 h內(nèi)零漂1～5微應(yīng)變。為了消除操作者或儀器的讀數(shù)誤差，通常在靜態(tài)應(yīng)變測量時要求重復(fù)加載測量2～3次，取平均值。

綜合上述因素，試驗總的誤差可以控制在± 1%以內(nèi)。

5 結(jié)語

應(yīng)變測試是研究結(jié)構(gòu)強度、檢驗結(jié)構(gòu)實際承載能力的重要手段，同時為數(shù)值模擬計算提供數(shù)據(jù)支撐。汽輪機高壓內(nèi)缸水壓試驗過程中紅套環(huán)應(yīng)變測量結(jié)果表明，水壓試驗過程中紅套環(huán)的應(yīng)力變化值較小，應(yīng)變測試是檢測紅套環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要手段，為紅套環(huán)結(jié)構(gòu)的安全評估提供了有力的試驗依據(jù)。

[1]孫訓(xùn)方,方孝淑,關(guān)來泰,編.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2009,7:19-24

[2]李小華.淺談應(yīng)變電測在工程中應(yīng)用及應(yīng)注意問題[J].計量與測試技術(shù),2002,29(3):22-25

[3]丁有宇.汽輪機強度計算手冊[M].北京:中國電力出版社, 2010,7:517-529

[4]潘宏.淺析大型構(gòu)件靜態(tài)應(yīng)力測試流程[J].一重技術(shù), 2007,(2):47-49

[5]王嘉豐.保證應(yīng)力測試成功的幾點要素[J].水運科技情報, 1997,(3):29-30

Shrink Ring Strain Test Investment in Process of HP Barrel Type Cylinder Hydrostatic Pressure Test

Yang Changzhu，Wang Jing，Huang Ling
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The paper briefly introduces the effect of strain test on design of shrink ring,states the principle of strain test method and strain gauge,strain test procedure and the question in test process,and introduces the strain test procedure,result and error analysis of shrink ring in the process of HP barrel type cylinder hydrostatic pressure test.The result shows that it's an important mean of verifying shrink ring structure design,strain tests play an important role in the shrink ring safety assessment.

barrel type cylinder,shrink ring,strain test

TK263

A

1674-9987（2015）03-0001-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.001

楊長柱 （1981-），男，工學(xué)碩士，高級工程師，畢業(yè)于武漢大學(xué)，現(xiàn)從事汽輪機強度振動試驗及汽輪發(fā)電機組振動故障診斷

工作。