溪洛渡水电站转轮焊接残余应力测试与分析

魏 松，程广福，赵 鹏，刘 琪

（1. 水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040）

前言

混流式转轮由叶片、上冠与下环组焊而成，在转轮结构制造过程中将产生焊接残余应力，焊接残余应力的大小及分布对混流式转轮的抗疲劳性能有重要影响，较高的焊接残余应力的存在严重影响转轮的抗疲劳性能[1-3]。因此，在转轮焊接完成后需要采用整体退火的方法来降低残余应力峰值，并使残余应力均匀化，以提高转轮抗疲劳开裂的性能。

溪洛渡水电站位于金沙江上，是金沙江水电基地下游四个巨型水电站中最大的一个，共装设 9台770MW 混流式水轮发电机组，总装机容量13860MW[4]。其中，哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电）生产6台机组。目前，绝大多数混流式转轮均要求在焊后及热处理后对其进行残余应力测试，以此对焊接残余应力水平及分布进行测试和分析，对热处理效果进行评价。因此对哈电生产的溪洛渡4#转轮焊后及热处理后焊接残余应力进行了测试和分析。

1 测试设备及方法

1.1 测试设备

采用盲孔应力释放法对混流式转轮进行残余应力测试，测试设备包括：应力仪，型号：YC-Ⅲ型，如图1所示；应力测量装置，哈尔滨大电机研究所研制的转轮专用应力测量装置，如图 2所示，与原有胶粘式测试装置相比该设备具有以下特点：

（1）操作简便，效率高。采用手柄式永磁铁吸附固定，避免了用胶水粘结所产生的繁琐操作程序，测试效率显著提高，为原有设备的3倍以上；

（2）操作灵活，精度高。采用软轴电钻进行钻孔，电钻振动及摆动很小，有效保证钻孔，而且采用软轴电钻，操作灵活；

（3）调节灵活，适用范围大。调节部分能根据测试工作需要在高度、角度和方向上进行灵活地调节，增大了测试装置的适用范围，能够有效解决转轮残余应力的测试盲区问题。

图1 残余应力测试仪

图2 新型测试装置

1.2 测试方法

混流式转轮疲劳开裂主要发生在叶片出水边与下环或者上冠连接处的T型焊接接头区域[5,6]，同时，为了对转轮焊接残余应力进行详细的测试与分析，因此对6#、12#、16#叶片的以下部位进行了测试：叶片进水边与上冠接头区域正、负压面（图3a），叶片出水边与下环接头区域负压面（图3b），叶片出水边与上冠接头区域负压面（图3c）。

在残余应力测试过程中对叶片与下环以及叶片与上冠焊接接头部位的焊缝、熔合区、热影响区的焊态及整体热处理后的残余应力进行测试，由于疲劳开裂主要与垂直于焊缝方向的残余应力有关，因此应变片沿焊缝垂直方向分布，测试点具体位置如表1所示，实际测试过程中的测点位置分布如图3所示。

表1 测试点位置

图3 叶片测试部位分布（以6#叶片为例）

2 测试结果与分析

焊后转轮6#、12#、16#叶片各测试部位焊接残余应力分布如图4、图5和图6所示，可以看到，转轮焊后残余应力分布非常不均匀，拉、压应力共存，而且具有较高的应力峰值，其中，最大拉应力可达400MPa以上，最大压应力可达 300MPa以上。造成这种应力分布的主要原因是在转轮的组焊过程中，多层多道焊接过程的不均匀温度场分布，以及转轮结构的较大刚度，造成了焊接接头区域的应力集中和严重分布不均。

消除焊接残余应力的最通用的方法是高温回火，即将焊件放在热处理炉内加热到一定温度（Ac1以下）和保温一定时间，利用材料在高温下屈服极限的降低，使内应力高的地方产生塑性流动，弹性变形逐渐减少，塑性变形逐渐增加而使应力降低。热处理后6#、12#、16#叶片各测试部位焊接残余应力分布如图4、图5和图6所示，可以看到，转轮经过消应力热处理后，焊接过程产生的残余应力得到释放，转轮整体残余应力水平显著降低，峰值降至 160MPa以下，而且残余应力值波动减小，趋于均匀分布，热处理效果显著。

图4 6#叶片残余应力分布

图5 12#叶片残余应力分布

图6 16#叶片残余应力分布

3 结论

（1）采用盲孔应力释放法对溪洛渡转轮焊后及热处理后焊接残余应力进行了测试和分析，测试部位包括叶片进水边与上冠接头区域正、负压面，出水边与下环接头区域负压面及出水边与上冠接头区域负压面的焊缝区、熔合区及热影响区；

（2）测试结果表明转轮热处理消除应力效果显著，可有效降低转轮残余应力水平，焊后残余应力峰值较高且分布不均，热处理后残余应力峰值显著降低，并且趋于均匀分布，热处理效果良好。

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