水电站水轮机转轮退火前后残余应力测试与分析

近年来，我国一些大型水电站机组相继出现了转轮叶片振动异常、开裂等严重问题，引起了生产厂家的高度重视。在某水电站转轮生产开工前，转轮制造商对转轮焊接及退火工艺进行了详细研讨，同时，决定对转轮焊接完成及整体退火后的残余应力进行对比测试，将测试结果作为检查转轮焊接及退火质量的主要依据。本次转轮叶片残余应力测试方法采用盲孔法。

水电站水轮机转轮为铸焊结构，上冠、下环、叶片整体到达现场组装焊接。转轮净重约152t，最大直径为6700,mm，总高3260mm，叶片数量为15片。转轮材料为马氏体不锈钢，焊接材料为Z410Ni-MoTi-1焊丝。钢材的极限拉扯强度为760MPa，屈服强度为550MPa。

测试设备

设备采用南京聚航科技有限公司的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK精密残余应力钻孔装置组成。全软件设置，自动实时计算残余应力，并实时显示和保存应力应变数值，测量结果直观明了，精度高。钻孔直径1.5mm，孔深2.0mm。

残余应力测试步骤

1. 测试部位的确定：测试部位应选择能代表焊接典型部位，选择一个基准，用记号笔大致标出测点的位置。

2. 应变片的粘贴：先用酒精棉清洁测试部位，然后用JH-496胶水将应变片粘贴在测点位置上。适当施压，待胶水完全凝固后，将应变片的接线脚揭起，粘上接线端子，然后将应变片的接线脚焊在接线端子上。

3. 连接测试线：用6根测试线分别连接应变片的3对可变形电阻丝与仪器的连接柱。连接测试线时，要注意接线的方向与对应性。

4. 定位座的安装与调试：安装定位座首先要用放大镜找到应变片上钻孔的中心点，并据此确定定位座的位置。

5. 仪器调试：预先将标定好的释放系数输入到仪器中。完成前面工作后，按仪器的调零键，将仪器清零，即记住初始值。

6. 钻孔 ：慢速钻孔至2.0mm

7. 读数与记录：记录仪器上的读数，仪器可以自动将应变值计算出应力值。

测试结果分析

盲孔法残余应力测试结果见表1、表2。

1. 以上测试数据表明，转轮退火前后的应力水平不高。焊缝和热影响区的残余应力不高，但熔合线附近的残余应力相对较高。焊缝上某些测点的残余应力偏高，这可能是该位置局部组织不均匀造成的。

2. 退火后，大部分测点应力值低于母材屈服强度的30%，且多数为压应力。应力高的少数测点位于退火后补焊的部位。

3. 无论是退火前还是退火后，多数测点的应力值都不高，均为压应力。这与转轮焊缝金属低温马氏体相变产生的体积膨胀有关。这种应力状况有利于提高转轮的抗疲劳性能。

4. 退火处理后返修的部位出现了较高的残余拉伸应力，因此，应采取措施，尽量避免退火处理后进行焊缝返修，或采取比较严格的返修工艺措施。为此，要求制造厂在后续转轮退火前进行更严格的无损检测，尽可能避免退火后产生焊缝缺陷。

从试验结果可以看出，退火前转轮焊缝的残余应力普遍不高。因此，从焊接残余应力的角度看，焊接材料的选用和焊接工艺是合理的。退火后转轮焊缝的残余应力普遍较低，而且比较均匀，说明转轮退火效果较好。