大型水轮机转轮的残余应力测量及分析

大型水轮机转轮是通过焊接加工制造而成的，在生产的过程中不可避免的会产生焊接残余应力，残余应力的存在是有害的，它将直接影响到结构的工作寿命及正常使用。所以大多数水轮机都需要通过退火处理以降低残余应力。为了了解转轮焊接区、热影响区及附近区域相关部位退火后残余应力的情况，在转轮加工车间对水轮机转轮退火后进行残余应力测量，测量方法采用盲孔法。

水轮机转轮是由16个叶片组成，叶片材料为铸造不锈钢，本次测试选择13#叶片，现场测试仪器使用JH-30残余应力检测仪。

测点区域及测点布置

通过对上冠进水边的正、负压侧的曲面形状的分析，可初步确定正、负压侧残余应力的分布差异不大，因此本次测试选取进水边的正压侧进行测试，且测点以焊缝熔合线为基准，沿焊缝熔合线垂直方向向上下分别布置测点。根据转轮的测试位置以及现场的实际情况，具体的测试部位包括叶片上冠进水边正压侧、下环出水边负压侧共两个区域，各分别布置3个测点，测点总数为6个。

测点表面处理

在确定的测试区域对叶片表面进行抛光打磨后，在测点表面用砂布交叉打磨。用划针轻轻刻出粘贴应变花的测点位置，清洗油污，除净表面残留金属粉末，保持新鲜干净的金属表面。粘贴盲孔器固定脚处表面可以粗糙些，但也要进行抛光打磨和表面油污的清洗。

应变花的粘贴

1. 检查应变花，去除油污。所使用的应变花阻值相差在0.5Ω内。清洗应变花粘贴面，去除粘贴面的油污。

2. 应变花粘贴方向一致。应变花1号应变片对准参考轴即平行于焊缝，并指向叶片的外侧。

3. 焊接导线，连接应变仪、温度补偿。应变片连接线路采用半桥电路，每个应变片分别进行补偿。

钻孔、测试、数据采集记录

利用JHZK残余应力钻孔装置进行对中和钻孔，首先调整并安装钻具。钻具的对中以所钻孔不超出应变花*心*二基准圆为判断标准。钻孔前、后用放大镜检查钻孔的对中情况。

用2mm深度控制块定好钻孔深度后，先将带Φ1.0mm麻花钻的钻杆插入盲孔器套筒里，进行钻孔。然后换用Φ1.5mm钻杆扩孔。在钻孔和扩孔时，使用钻孔专用调压电源。钻孔结束后2min记录测试数据。

测试结果分析

13#叶片各测点退火后残余应力测量结果表

水轮机转轮退火后进行了残余应力测量，测试区域选择的是13#叶片的上冠进水边正压侧和下环出水边负压侧。根据该水轮机转轮叶片机械性能基本信息得知，叶片的屈服强度为550MPa，其中二分之一为275MPa。

退火后13#叶片主应力*大值为274.2MPa，接近于屈服强度的二分之一，位于上冠进水边的正压侧；等效应力*大值为238.16MPa，平均等效应力为113.46MPa。根据对转轮焊前残余应力测量经验，残余应力*大值范围在500~700MPa之间，由此可见转轮通过退火较好的消除了叶片的焊接残余应力。