高压筒形缸水压试验过程中红套环应变测试研究

杨长柱，王敬，黄令

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

高压筒形缸水压试验过程中红套环应变测试研究

杨长柱，王敬，黄令

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章简要介绍了应变测试在红套环结构设计中的作用，阐述了电测法和电阻应变计的测试原理、应变测试步骤以及测试过程需要注意的问题，并介绍了高压筒形缸水压试验过程中红套环的应变测试过程、测试结果及误差分析，实际结果表明应变测试是检测红套环结构设计的重要手段，对其安全评估具有重要作用。

筒形缸，红套环，应变测试

0 引言

东方汽轮机有限公司最新开发的华润焦作660 MW项目高压内缸采用筒形缸结构设计，无水平中分面法兰，上下缸为半圆筒形结构，不用螺栓把合，而是用7个红套环箍紧。高压内缸装配工序是先将高压转子平置于内缸中，将红套环用环形火焰加热，利用液压千斤顶快速更换支承，依次将红套环安装就位，冷却后将内缸紧紧箍住，确保运行中在任何工况下无蒸汽泄漏。

筒形缸的结构设计能够减小高压外缸的体积，汽缸总装在制造厂完成，能够保证装配精度，并能够有效防止运行时中分面变形导致的蒸汽泄漏。对于首台机组，高压内缸需要进行水压试验，确保试验压力下无泄漏。水压试验时红套环会承受较大的力，在设计阶段利用数值分析的方法对红套环的应力进行了计算，但在有限元计算中，很难做到边界条件与实际情况相一致，也不能很好地计算出应力集中情况，应用电阻应变计测量技术 （电测法）能直接测试出水压试验过程红套环的应力变化情况，可以很好地解决有限元计算难以解决的问题，在校核设计的同时也能改进设计。

1 电测法和电阻应变计原理

电测法是以电阻应变计为传感元件，将其粘贴在被测构件的测点处，使其随同构件变形将构件测点处的应变转换为电阻应变计的电阻变化，便可确定测点处的应变，然后按胡克定律计算得其应力[1]。电测法是应力测试方法中最为成熟、常用的一种，其优点有[2-3]：

（1）传感元件小：电测法中作为传感元件的电阻应变计，尺寸和重量都比较小 （目前最小栅距为0.2 mm），安装 （如粘贴）方便，可以粘贴到物体的很小部位上，测取局部应力，而且可以不计电阻应变计的惯性影响，不会干扰被测构件的应力状态。

（2）测试精度高：最小可达10-6（微应变，μm/m），常温静态应变测量精度可达1%～2%。

（3）测试应变量程大：一般为1%～2% （104～2 ×104μm/m），特殊的大应变电阻应变计可测量10%～25% （105～2.5×105μm/m）应变量。

（4）频率响应快：可测量静态到5×105Hz的动态应变。

2 应变测试流程

应变测试流程按实施阶段可分为3步：测试准备、实施测试、结果分析[4]。

2.1 测试准备

选择测试点：可以从以下几个方面综合考虑：

（1）根据有限元计算结果选择应力值较大的点；

（2）选择表面曲率变化大的点，如圆角部位等；

（3）选择用力学公式可以计算出应力值的点，如矩形截面部位，这样做可以用理论值与测试值比较，以便验证测试结果的可靠性；

（4）容易布置应变计的位置。

测试点选择完成后，分析每一点的应力状态，统计出所需应变计的型号与数量，一般应变计的数量不少于测点数的1.2倍。

应变计的筛选：应变计要选择同一批次同一型号，应变计电阻R的离散度要小，灵敏度系数K要一致。根据构件受力状况，单向应力测点布置单轴应变计，主方向已知的平面应力状态测点布置双轴应变计，主方向未知的采用三轴应变计或应变花。

导线准备与检查：每根导线型号一致，测量导线无断点。

测试准备完成后整理出测试方案。包括测点位置及点编号、测试仪器、电阻应变计数量、导线长度、测试工况等。

2.2 实施测试

2.2.1 现场勘查

对照测试方案勘查测试现场构件周围环境，及时调整测点与电缆编号，完善测试方案。

2.2.2 应变计粘贴

参照图纸定位测试点、划线，打磨、清洗测试部位，粘贴应变计，需注意要沿构件主应力方向粘贴，不同的粘贴位置和方向将对应力测试结果产生很大的影响。目前市场上有多种应变胶可供选择，如无特殊要求，只按适合应变计基底选择即可，同时注意固化时间，如果没有严格控制试验周期，可选择固化时间较长的应变胶，以提高粘贴韧性，获得更为准确的数据。

2.2.3 测试系统调试

按照测试方案，将导线与测试仪器连接起来，调整测试仪器，检查测试通道是否正常。

2.2.4 实施应力测试

按照测试要求在不同工况下采集测试数据，应力测试过程中需要特别关注应力值较大的点，一旦应力值超出金属结构材料的屈服强度，就需要停止试验，待整改后再继续进行试验。

2.3 结果分析

电阻应变计测试出的是应变值，一般情况下要换算成应力值。可用平面应力公式计算：

式中：E为材料的弹性模量；μ为泊松系数；ε0、ε45、ε90为应变计3个方向的应变测试值。

对于有理论值的测点，可用理论值和测试值相比较，验证测试结果的准确性。如果是分段加载测试，也可以验证测试值的线性度。

3 红套环应变测试过程

3.1 测试对象

本次试验对象为高压内缸红套环，材料为镍铬钼钒超纯净合金钢，弹性模量E=216 GPa，主要测试红套环安装完成后，进行水压试验时部分红套环的应力情况。测试现场如图1所示。

图1 测试现场

3.2 测试仪器及应变计

测试仪器为7V14C静态应变测试仪，电阻应变计为BE120-4BC（11）双向温度自补偿应变计，敏感栅尺寸4.1×1.9 mm，基底尺寸9.5×9.5 mm，阻值120 Ω，应变胶型号为H710。

3.3 测点布置

测点布置如图2所示，测点数量共72个（#1～72点），测点上均粘贴双向应变计。测点布置在2、4、6号红套环，沿圆周均布于4个方向的相同位置，每个方向布置3个测点，其中外环1个，粘贴方向为圆周方向和轴向；单一侧面2个，粘贴方向为圆周方向和径向。

图2 测点布置图

3.4 试验过程

2013年8月19～21日进行测点布置、粘贴应变计、引线、系统调试等工作。8月22日高压内缸进行水压试验，同时对红套环在不同水压下的应变进行采集。水压的变化曲线如图3所示。

图3 试验压力曲线图

水压试验中等待水压稳定后进行应变采集，每种水压状态采集数据2次，试验共采集了26次应变数据。

4 测试结果及误差分析

4.1 测试结果

测试数据处理过程：首先将同一过程和同一水压的2次采集数据进行平均，再将升降过程相同压力下的数据进行平均，对每个红套环圆周均布的4个位置的数据进行平均，最后得出相应位置不同试验压力下的应变值。再通过计算将其转变为对应的应力值。从分析数据看出，数据重复性好，线性度高。测试结果如下：

（1）工作压力下，径向应力变化值小于20 MPa，周向应力变化值小于35 MPa，轴向应力变化值小于15 MPa。

（2）极限压力下，径向应力变化值小于30 MPa，周向应力变化值小于50 MPa，轴向应力变化值小于15 MPa。

将每个红套环的6个位置的应力绝对变化值进行对比，如图4～6所示。从图中可以看出，各红套环应力变化最大位置均为靠近内缸侧的周向，最小则为外圆轴向位置。总体看测试的3个红套环应力变化值从大到小为2号、4号、6号。

图4 2号红套环应力

图5 4号红套环应力

图6 6号红套环应力

4.2 误差分析

误差影响主要有以下几点：

（1）应变计栅长选择：应变计是以栅长范围内的平均应变来表示这一长度内某点的应变的。其误差由栅长大小和其力应变梯度决定。原则上在误差允许的条件下应选择栅长较大的应变计 （栅长越小横向效应越大）。本次测试的构件较大，所以选择尺寸较大的应变计，以减少误差。

（2）温度影响：由于环境及被测构件温度的变化，使应变计阻值发生变化，进而影响测试结果，可采用温度补偿块进行修正，也可选择带有温度自补偿功能的应变计。本次测试使用温度自补偿应变计，粘贴和接线相对简单。

（3）粘贴方向影响：应变计粘贴的方向如果与测点要求的方向不重合，则会给测量结果带来误差，应变计粘贴时尽量沿测试方向粘贴。

（4）长导线影响及其修正：本次测试构件尺寸大，同时考虑水压试验时的安全性，测试仪器与高压内缸需要保证一定的距离，这就需要很长导线 （10 m左右）连接应变计和测量仪器。这时导线电阻RL与应变计电阻R相比不可忽略，导线分布电容较大将影响应变测量结果，导线电阻存在会使应变测量值偏小，可采取三线制接线方式来消除导线电阻带来的误差。

（5）应变测量仪器：静态应变测量仪器主要的工作特性是基本误差和稳定性，测量前应检测测量仪器的基本误差和稳定性。7V14C静态应变仪基本误差为±0.5%，稳定性为4 h内零漂1～5微应变。为了消除操作者或仪器的读数误差，通常在静态应变测量时要求重复加载测量2～3次，取平均值。

综合上述因素，试验总的误差可以控制在± 1%以内。

5 结语

应变测试是研究结构强度、检验结构实际承载能力的重要手段，同时为数值模拟计算提供数据支撑。汽轮机高压内缸水压试验过程中红套环应变测量结果表明，水压试验过程中红套环的应力变化值较小，应变测试是检测红套环结构设计的重要手段，为红套环结构的安全评估提供了有力的试验依据。

[1]孙训方,方孝淑,关来泰,编.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2009,7:19-24

[2]李小华.浅谈应变电测在工程中应用及应注意问题[J].计量与测试技术,2002,29(3):22-25

[3]丁有宇.汽轮机强度计算手册[M].北京:中国电力出版社, 2010,7:517-529

[4]潘宏.浅析大型构件静态应力测试流程[J].一重技术, 2007,(2):47-49

[5]王嘉丰.保证应力测试成功的几点要素[J].水运科技情报, 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

杨长柱 （1981-），男，工学硕士，高级工程师，毕业于武汉大学，现从事汽轮机强度振动试验及汽轮发电机组振动故障诊断

工作。