水轮机转轮应力分布规律及形貌变化特征研究

1、水轮机转轮应力分布规律及形貌变化特征研究陈兆斌 哈尔滨大电机研究所1 前言由于国内外大型水电站混流式转轮连续出现裂纹，而且多数裂纹是出现在叶片靠上冠和下环焊缝附近。并平行焊缝方向呈穿透性疲劳开裂。这便显示出研究真机转轮易萌生裂纹部位残存应力大小，分布规律及形貌变化特征的重要性和必要性。据了解，目前国内外很少有研究真机转轮易裂部位应力分布规律的专题报导。所以本文从试验室，对模拟转轮焊接工艺试板研究入手。同时又在完全脱离试验室的条件下，对实际生产的真机转轮，包括转轮承载运行出现裂纹后的应力大小，分布规律及形貌变化特征进行了全面细致研究。结果表明，转轮在装机前，虽然经过热处理去应力处理，但在叶片距焊

2、缝中心4067mm范围内，仍然残存有一个受焊接温度和结构刚度影响的局部拉应力集中区，而这个拉应力集中区，又刚好处在叶片易萌生裂纹部位，说明残存在叶片材料中局部拉应力过高，才是导致叶片开裂的主要原因之一。2 试验材料2.1 材料化学成分和机械性能根据三峡转轮用材，试板选用0Cr13Ni5Mo，焊缝填充金属选用HS13-5焊丝。直径1.2mm，化学成分见表1，热处理工艺及机械性能见表2。表1化学成分CSiMnPSCrNiMo0Cr13Ni5Mo0.050.440.560.0210.00513.934.770.04HS13-50.040.530.610.0180.00513.184.890.53表2

3、热处理工艺及机械性能sMpasMpas%Akv0Cr13Ni5Mo950正火+600正火回火>508851855120130HS13-5正火（950±15正火）+600正火回火>65890206380822.2试板制备为探讨不同拘束刚度及热处理温度，对焊缝横截面应力分布规律及形貌变化特征的影响，特制备了不同拘束刚度模拟试板。为使大刚度试板接近转轮结构刚度，特将刚度板中间挖空呈框架结构，并将试板四周定位加固后，再对坡口进行施焊。大刚度试板装配尺寸及接头方式见图1，焊接工艺（略）。焊接参数见表3A400650320300550280±26040600A表3 焊接参数

4、焊丝电压（V）电流（A）焊速/min1.2223220028015453 试验方法及测试点的选择3.1试验方法 试验方法选用盲孔释放法。应力测量仪型号：YC型应力测量仪；应变花型号：Tj-120-1.5-1.5；孔径1.5mm，孔深1.52mm。钻孔装置选用本所研制的转轮专用应力测量装置。因为采用现有的应力测量装置，很难适用于测量转轮叶片易裂部位狭窄几何空间的残余应力值。同时采集远离叶片易裂部位的应力值，又不能代表空间狭窄部位的真实应力值。所以只有研制一种适用测量几何空间狭窄的专用测量装置，才能采集到叶片出水边易裂部位的真实应力数据。才能真实、直观的了解易裂部位残余应力值的大小，分布规律及形貌

5、变化特征。转轮专用应力测量装置图（略）。3.2 应力测量点的选择由于真机转轮裂纹，多出现在焊缝附近。并近似平行焊缝方向扩展。所以在研究裂纹萌生力时，必须以研究垂直焊缝方向力为主。但在实测转轮时，尽管专用测量装置灵活、适用，可在近缝区，由于受几何空间狭窄的限制，仍存在约30mm左右无法测量的死区。为采集死区应力值，只能因地制宜地以焊缝中心为参考点，并与焊缝方向呈一定夹角进行布点。这样，尽管死区各测点不在垂直焊缝的同一直线上，但确能真实地反映出叶片距焊缝中心各不同点距上的真实应力值的大小，分布规律及形貌变化特征。焊缝死区布点示意图（略）4 试验结果与分析4.1试板试验结果与分析4.1.1受拘束刚度

6、较小试板试验结果与分析为探讨试板在受拘束刚度较小情况下，焊缝区，包括焊缝附近的应力变化规律。首先对只焊支承拉筋的试板进行实测。同时为验证盲孔法研究焊接结构应力的效果，又用X射线法对同属2#试板进行复测。试验结果：用盲孔实测2#试板的试验结果见表4。应力分布及形貌变化见图2。用X射线法复测2#试板的试验结果见表5。应力分布规律及形貌变化特征见图3。结果讨论与分析1 根据应力分布规律曲线图2可看出，焊缝区，包括熔合线和热影响区。应力是完全处在受压状态。只有进入母材区，压应力才出现反向，并呈受拉状态。2 对比应力变化规律曲线图2和图3可看出，虽然两种应力测量方法不同。但实测应力分布规律及形貌变化特征

7、确相同。说明：在研究焊接结构应力时，无论是采用盲孔法，还是采用X射线法，都是可行的。4.1.2 受拘束刚度较大试板试验结果与分析为探讨试板在受拘束刚度较大情况下，焊缝附近的应力变化规律，包括热处理温度对焊态原始应力分布规律及形貌变化特征的影响。又对大刚度试板进行了焊态原始应力和热处理去应力后的对比研究。试验结果：4#大刚度试板焊态原始状态应力实测结果见表6。应力分布规律及形貌变化特征见图4。经580热处理后实测结果见表7。应力变化规律及形貌变化特征见图5。结果讨论与分析1 由图4可看出，大刚度试板原始状态焊接应力分布规律及形貌变化特征是：在焊缝区应力水平是处在拉、压互存状态。在熔合线和热影响区

8、，则完全是处在受压状态。在远离熔合线的母材部位，则残存一个较高的拉应力（峰）集中区。说明远离熔合线母材部位的应力集中，应是由于材料受拘束刚度和焊接温度等影响所致。2 对比图4和图5可看出，试板经580去应力处理后，虽然可使部分应力得到了重新调整和降低，但并没改变焊态原始应力分布规律及形貌变化特征。说明580热处理，只能重新调整部分残余应力，而并不能改变焊态原始应力变化规律及形貌变化特征。4.2 真机转轮出水边易萌生裂纹部位应力测量结果与分析研究真机转轮叶片易萌生裂纹部位残余应力值的大小，应力分布规律及形貌变化特征，比在试验室研究试板更具有真实性和代表性。尽管所研究的转轮由于受直径大小、结构刚度

9、、焊接工艺，包括焊缝填充金属与母材的化学成分及物理性能等不同，而对应力所带来差异，但它确是在完全脱离实验室的条件下，是综合材料铸造应力，加工应力、结构应力、焊接应力，包括热处理去应力的最终效果。所以只有认识真机转轮易裂部位的应力来源，应力值的大小、变化规律才能采取必要的手段来防止裂纹的产生。4.2.1 直径4.2m转轮易裂部位应力对比试验结果与分析试验结果：典型4.2m直径的邦郎转轮热处理前、后易裂部位应力测量结果见文中表8和表9应力分布规律及形貌变化特征见图6和图7。结果讨论与分析1 从图6结合表8可看出，邦郎转轮焊态应力变化规律及形貌变化特征与本体焊丝焊接试板变化规律基本相同。即在焊缝区只

10、存在有122.5MPa的拉应力，在熔合线和热影响区，则残存有-42.4MPa的压应力，而在受拘束刚度和焊接温度影响的母材区，则残存有一个256.9MPa的拉应力集中区。说明同种金属焊接转轮应力变化规律及形貌变化特征是：在焊缝区残存拉应力并不高，在熔合线和热影响区，则完全是处在受压状态；在受拘束刚度和焊接温度影响的母材区，则残存一个较高的拉应力集中区。2 对比图6和图7可明显看出，邦郎转轮经580去应力处理后，虽然应力值略有变化，但并没有改变焊态原始应力变化规律及形貌变化特征。4.2.2 跟踪三峡转轮应力测量结果与分析为探讨转轮叶片易裂部位应力来源，首先对三峡机组准备组装前的打磨加工叶片进行实测

11、。然后再跟踪研究叶片易裂部位应力变化规律，包括热处理温度对焊态原始应力分布规律及形貌变化特征的影响。测量结果：组焊前叶片上冠坡口处应力测量结果见表10。应力分布规律及形貌变化特征见图8。组焊后三峡13#机15#叶片焊态和热处理后应力测量结果见表11、12。应力分布规律及形貌变化特征见图9、10。结果讨论与分析1 根据图8可看出，叶片组焊前，原始状态打磨加工应力分布规律是：完全处在起浮互变状态，并且有规律的呈波浪形貌和特征残存在叶片易裂部位。分析认为：这种应力分布规律，是叶片经表面打磨加工，由手动砂轮左右摆动拉或压所致。2 对比图8和图9可看出。组焊后靠焊缝叶片易裂部位，并没反映出原始表面打磨加

12、工应力变化规律及形貌变化特征。说明材料表面打磨加工应力，在焊接温度效应下，并不影响焊接应力变化规律及形貌变化特征。3 对比图9和图10还可看出，转轮材料经580退火处理，仍然没有改变焊态原始应力变化规律及形貌特征。对比表11和表12可知，转轮经热处理后，虽然拉应力集中区的应力值有所降低，但在距焊缝中心56mm母材部位，仍然残存有297.5MPa的拉应力。说明三峡转轮虽然经过热处理，但在受焊接温度影响的母材易裂部位，仍然残存有一个较高的局部拉应力集中区。4.2.3 转轮承载运行出现裂纹后应力测量结果与分析为探讨转轮承载运行出现裂纹后，叶片易裂部位应力分布规律及形貌变化特征。包括应力值的大小，与萌

13、生裂纹的关系。在万家寨2#机上，对已产生裂纹和没产生裂纹的叶片进行对比研究。实测结果：2#机没发现裂纹的M#叶片应力测量结果见表13。应力分布规律及形貌变化特征见图11。已发生裂纹后经补焊的A#叶片应力测量结果见表14。应力分布规律及形貌变化特征见文中图12。结果讨论与分析1 从图11可看出，没发现宏观裂纹的M叶片应力变化规律是：在焊缝区和热影响区的拉应力并不高，在受焊缝温度影响的母材易裂部位，则残存一个较高的拉应力集中区，并以应力平台形貌出现。由表13可知，该拉应力平台距焊缝中心为5467mm，平台宽约为13mm，平台应力值为390.4394.9MPa。2 对比已产生裂纹，后经补焊的A#叶片

14、应力曲线图12和图11可看出，尽管5#测量点因受补焊影响，应力值略偏高，但如果去除该点的假象(见虚线)，则仍然会看出，A#叶片仍具有与M#叶片相似的变化规律及形貌特征。不同的是：应力平台是出现在距焊缝中心4055mm区间，平台宽约为15mm，平台值应在403.7MPa左右。3 针对应力平台分析认为，两个叶片应力平台，最初均应以应力峰的形貌出现。承载运行后，之所以会出现应力平台。是因为该局部点或线的动应力与残存应力叠加，已超过材料的屈服极限。并产生局部塑性变形。当工作载荷（停机）去除后，局部已经发生塑性变形的点或线，就不能恢复原来形状。只能伴随弹性应变曲线得到重新平衡，最终便以应力平台形貌残留在

15、静态应变曲线中。 5 结论1 同种金属焊接转轮应力分布规律及形貌变化特征是：<1>在焊缝区残存一个焊接拉应力（峰）集中区，通常情况下该拉应力峰值并不高。<2>在熔合线和热影响区，基本是处在拉、压状态。<3>在受焊接温度影响的母材局部，残存一个较高的拉应力集中区，而这个较高拉应力集中区，又刚好处在转轮叶片易萌生裂纹部位。2 转轮在装机运行前，虽然经过热处理去应力处理，但在叶片距焊缝中心4067mm区间仍然残存一个受焊接温度和结构刚度影响的高拉应力集中区。说明该局部拉应力过高是导致裂纹萌生的一个主要原因。3 转轮经承载运行，致使叶片受焊接温度影响的局部应力集中区

16、发生塑性变形后，应力变化规律及形貌特征是：在局部塑性变形区产生一个较宽的拉应力平台。表4 2#试板测量结果 焊缝宽为27mm 残余应力测量点 残余应力（度）距焊缝中心 mm12149.7-10.31676.5235.3-157.8-4368.5342.4-152.1-361.5427.9-75.5-2156534.0-74.8-247.566.8-92.4-141.5728.0-73.0633.5885.3-42.0426.5948.0-101.33559.510-107.2-139.0-4313.511-76.0-85.827.012-42.5-53.3230.5右13-56.9-242.4

17、-10.514-194.2-255.81313.515-99.8-129.210021.51637.1-60.5-2627.01759.3-131.0-834.01856.1-70.611641.01920.2-63.9047.02058.4-73.1-853.02162.9-10.9060.022101.1-76.3-2868.02374.622.74074.02470.3-5.680.0表5 X射线法复测结果 焊缝宽为27mm残余应力测量点残余应力距焊缝中心 mmxy142176023011543337484-20-90425322636675403074033248-8511189-95

18、-971210-76-103611-62-124012-189-100-613-188-148-1214-1854-18155440-24168025-30176649-36185333-42195145-48207337-54216462-60表6三峡4#大刚度试板焊态应力实测结果 焊缝宽约46mm残余应力测量点 残余应力（度）距焊缝中心mm12119.2-126.0-16101.52-27.0-167.7-1996.53-62.0-153.5-10904-9.4-188.0-2485.55-51.9-175.0-3978646.7162.0-3167721.8-135.91963.5825

19、9.6-397.6-3755.59359.228.51451.510338.4-435.5109441146.0-131.7-1539.51230.9-103.7163113-6.7-87.31132814-114.4-235.42221524.4-120.4511163.8-177.11561747.6-150.225118-29.9-204.1-461962.0-539.18913204.4173.421821-129.5-285.3-11252236.5-86.59129.523-13.5-62.9-1736.52478.2-178.11248.525510.319.95254.5261

20、59.5-145.026027-4.4192.81265.528-6.3-207.907129-14.5-240.687730-61.3-312.408321-12.0-236.6838932-19.5-256.8-794.5表7三峡4大刚度试#板580热处理后应力实测结果 焊缝宽约46mm残余应力测量点残余应力（度）距焊缝中心mm121-22.9-83.8-4100.5226.8-65.8-2493.0326.3-58.0987.5422.2-73.8-2081.0557.0-102.5-4475.5635.8-135.6-3468.57162.7-16.01462.0890.812.215

21、7.09338.3-201.4651.010101.5-34.32346.51166.7-33.4038.51276.46.41433.01351.7-44.01131.01434.2-50.4025.51577.437.9218.51684.833.49112.51760.6-6.01086181151.543.510711965.2-9.206.52082.943.72112130.5-662519.52216.253.6-2122.02375.6-19.6-1929.02456.5-10.92535.02566.2-53.62141.526128.721-1947.027302.8-20

22、0.68452.028152.4-97.812455.02972.0-71.23259.53058.6-36.82566.53163.6904-671.53237.5-72.1-277933-11.6-113.6-2483.53448-21.839135-32.1-51.9-33963637.3-22.3-4104.5表8邦朗转轮焊态上冠附近应力测试结果测点1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊缝中心（mm）147.0-127.251152122.5-36.176243117.6-36.87733.54-34.4-72.5125415-42.4-85122466-4.1-123.889517256

23、.9-76.049608133.7467669982.1-263.2112791061.4-65.3-1789表9邦朗转轮热处理后上冠附近应力测试结果测点1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊缝中心（mm）15.5-62.513316266.81.52225321.1-59.9-9344-131.0-199.4-32405-36.8-124.094456167.6131.3112527117.3-59.413361846.4-99.712070911.6-39.413281105.4-46.013492表10叶片靠上冠坡口处应力测试结果测点1（Mpa）2（Mpa）（度）离坡口线（mm）152.4-

24、22-369.5283.1-169.7-42193-33.8-84.015324121.1-155.7-3841575.1-188.81335260.1-40.01861728.1-147.4-3873889.67.15482913.8-39.01092.51068.3-23.821011193.341.7121101230.4-2421121表11三峡13#机15#叶片焊态上冠测量结果 焊缝宽约78mm测点1（Mpa）2（Mpa）（度）（mm）172.0-128.7112238.6-185.3-42143187.0-145.3-56194101.92.31128.5516.9-5014346-225.1-299.079397-30.4-91.3-10458230.6-306.166579347.410.1425410514.9-292.5525911321.4-115.01061.512204.7-262.22164131.5-113.919681416.1-19.5-12751515.3-49.9238416-21.3-44.37594173.2-43.427101表12 三峡13#15#叶片热处理后上冠应力测量结果 焊缝宽约70mm测点1（Mpa）2（Mpa）（度）距焊缝中心（mm）139.3-87.31512-91