鄒南城，李勝鑫，管濤濤

(1. 華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2. 杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用振動(dòng)時(shí)效消除焊接殘余應(yīng)力的效果研究

鄒南城1，李勝鑫1，管濤濤2

(1. 華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2. 杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

摘要：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪均由上冠、葉片、下環(huán)組焊而成，轉(zhuǎn)輪在焊接加工過(guò)程中容易產(chǎn)生相變應(yīng)力與熱應(yīng)力等形式的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在可使轉(zhuǎn)輪的尺寸及形位精度受到破壞，疲勞強(qiáng)度降低，影響轉(zhuǎn)輪的性能，甚至使轉(zhuǎn)輪本身產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致失效。采用振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了消除(均化)焊接內(nèi)應(yīng)力處理，并分別對(duì)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效工藝處理前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，以評(píng)價(jià)和驗(yàn)證轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效工藝消除(均衡)殘余應(yīng)力的效果。圖2幅，表2個(gè)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；殘余應(yīng)力；振動(dòng)時(shí)效；等效應(yīng)力

1概述

華電福新能源華安水力發(fā)電廠位于福建省九龍江北溪干流的河段上，距漳州市約55 km，距縣城約10 km，工程于1971年動(dòng)工興建，1980年4月5日全部建成投產(chǎn)。電站裝機(jī)容量為4×15 MW，安裝有4臺(tái)混流立式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào) HL211—LJ—255,發(fā)電機(jī)型號(hào)SL550—79/28。機(jī)組服役到今年已35 a，2014年開(kāi)始陸續(xù)進(jìn)行報(bào)廢重建。其中1號(hào)機(jī)組報(bào)廢重建的水輪發(fā)電機(jī)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由中國(guó)水利科學(xué)研究院提供，型號(hào)為 P56—225。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠、葉片、轉(zhuǎn)輪分別在不同工廠制造，然后由浙江利維機(jī)械制造有限公司組裝拼焊而成，轉(zhuǎn)輪葉片由13片組成。葉片與上冠、葉片與下環(huán)聯(lián)接采用堆焊工藝焊接而成。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是水輪發(fā)電機(jī)組的重要部件，轉(zhuǎn)輪的優(yōu)劣直接影響水輪發(fā)電機(jī)組的性能效率及穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)輪在焊接加工過(guò)程中，產(chǎn)生相變應(yīng)力與熱應(yīng)力等形式的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在可使轉(zhuǎn)輪的尺寸及形位精度產(chǎn)生偏差，疲勞強(qiáng)度降低，影響轉(zhuǎn)輪的性能，甚至使轉(zhuǎn)輪本身產(chǎn)生裂紋而導(dǎo)致失效。因此，消除、降低或均化內(nèi)應(yīng)力是一項(xiàng)十分重要而必要的任務(wù)。

過(guò)去大多工程的大型鑄件和焊接件多采用自然時(shí)效法，中、小型的鑄造和焊接構(gòu)件則采用整體退火方法消除焊接應(yīng)力或使焊接應(yīng)力均衡,從而降低局部焊接或鑄造應(yīng)力過(guò)大造成焊縫或鑄件開(kāi)裂而致構(gòu)件失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于自然時(shí)效法費(fèi)時(shí),整體退火受構(gòu)件的尺寸限制，且消除內(nèi)應(yīng)力的效果如何也未可知。鑒于此，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接完成后，采用振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)焊接后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行消除(均化)焊接內(nèi)應(yīng)力處理，并分別對(duì)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效工藝處理前后的殘余應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，以評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效工藝消除(均衡)殘余應(yīng)力的效果。

2效果評(píng)價(jià)研究步驟

在振動(dòng)時(shí)效前進(jìn)行轉(zhuǎn)輪初始焊接殘余應(yīng)力檢測(cè)，然后對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，待振動(dòng)時(shí)效處理結(jié)束后再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效后的余留殘余應(yīng)力檢測(cè)。轉(zhuǎn)輪焊接完成48 h后，在轉(zhuǎn)輪上布設(shè)三相電阻應(yīng)變計(jì)，分別在轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效工藝處理前、后進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，并對(duì)振動(dòng)時(shí)效工藝處理前后兩次殘余應(yīng)力檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，以此評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)效消除和均衡殘余應(yīng)力的效果(見(jiàn)表1)。

表1　轉(zhuǎn)輪葉片及焊接材料化學(xué)成分和機(jī)械性能

3處理前、后的殘余應(yīng)力測(cè)量

在轉(zhuǎn)輪13片葉片與上冠聯(lián)接腋窩處、葉片與下環(huán)聯(lián)接的凹槽處布設(shè)三相電阻應(yīng)變計(jì)。葉片與上冠聯(lián)接腋窩處布設(shè)13片三相電阻應(yīng)變計(jì)，編號(hào)為1號(hào)上～13號(hào)上；葉片與下環(huán)聯(lián)接腋窩處布設(shè)13片三相電阻應(yīng)變計(jì)，編號(hào)為1號(hào)下～13號(hào)下(見(jiàn)圖1)。編號(hào)為奇數(shù)的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效工藝處理前殘余應(yīng)力測(cè)試，編號(hào)為偶數(shù)的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效工藝處理后殘余應(yīng)力測(cè)試。

為了提高測(cè)試精度，應(yīng)在應(yīng)變計(jì)黏貼24 h后進(jìn)行干燥處理并進(jìn)行防潮密封。

殘余應(yīng)力檢測(cè)方法采用《振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇及效果評(píng)定方法》(GB/T 25712—2010)中規(guī)定的盲孔法測(cè)量法。盲孔法就是在工件待測(cè)部位鉆1個(gè)小孔，使被測(cè)點(diǎn)應(yīng)力得到釋放，再由事先貼在鉆孔部位周圍的應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得變量并根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)算出殘余應(yīng)力(見(jiàn)表2)。

表2　殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)值

圖1振動(dòng)前后應(yīng)力值對(duì)比

4處理過(guò)程

轉(zhuǎn)輪振動(dòng)時(shí)效設(shè)備采用株洲威凱瑞工業(yè)設(shè)備有限公司的RSR2000(G)全自動(dòng)振動(dòng)消除應(yīng)力專家系統(tǒng)，掃頻范圍1 000～8 000 r/min，額定激振力65 kN。

圖2振動(dòng)時(shí)效構(gòu)件布置

將轉(zhuǎn)輪平穩(wěn)放置在有彈性的橡膠支撐物上，支

撐點(diǎn)選在工件振動(dòng)的波節(jié)處且數(shù)量應(yīng)盡量少，以減小振動(dòng)能量損失和支撐對(duì)振動(dòng)的影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在轉(zhuǎn)輪下環(huán)下方相隔120°平均分布3處橡膠墊，分別在兩支撐點(diǎn)中點(diǎn)波峰處放置激振器及傳感器(見(jiàn)圖2)。

振動(dòng)時(shí)間指在主頻率下的工作時(shí)間，通常根據(jù)工件的重量及結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等特性選擇，此次由時(shí)效系統(tǒng)自動(dòng)選取為35 min。

5測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪的葉片與上冠聯(lián)接腋窩處振前最大應(yīng)力值為687 MPa，平均應(yīng)力值為600 MPa；振后最大應(yīng)力值為85 MPa，平均應(yīng)力值為72 MPa，殘余應(yīng)力平均消除量88%。轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)聯(lián)接凹槽處振前最大應(yīng)力值為676 MPa，平均應(yīng)力值為604 MPa；振后最大應(yīng)力值為89 MPa，平均應(yīng)力值為79 MPa，殘余應(yīng)力平均消除量87%。從實(shí)測(cè)情況看，轉(zhuǎn)輪焊接殘余消除效果是明顯的，可以代替整體退火工藝。

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責(zé)任編輯吳昊

作者簡(jiǎn)介：鄒南城(1964-)男，高級(jí)工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)管理工作。

收稿日期：2015-09-01