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水輪機轉(zhuǎn)輪分段焊工藝殘余應(yīng)力測量與分析

來源:南京聚航科技有限公司   2025年03月06日 10:34   85


水輪機轉(zhuǎn)輪工作過程中出現(xiàn)疲勞裂紋是所有水輪機普遍存在的問題,這種現(xiàn)象會大大降低水電站的工作效率,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對于一個具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說,由于它的材料選擇是不變的,因此轉(zhuǎn)輪的受力狀態(tài)是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)疲勞裂紋的關(guān)鍵因素。在水輪機工作運行中,轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力來源主要有工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn),工作應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置與焊接殘余拉應(yīng)力峰值一致,都是在葉片出水邊的焊縫附近。對于一個具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說,它的工作應(yīng)力是固定不變的,因此解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題唯yi途徑是優(yōu)化焊接工藝,以改善轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。通過降低葉片危險區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力,可以從根本上解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題。

對于一個普通的焊接構(gòu)件來說,焊縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力是由殘余壓縮塑性變形引起的,此區(qū)域的殘余壓縮塑性變形會影響周圍區(qū)域,使鄰近環(huán)縫的區(qū)域產(chǎn)生了較大的焊接殘余壓應(yīng)力。針對這種情況,可以利用分段焊的方法對葉片危險區(qū)域附近的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行了調(diào)控,使轉(zhuǎn)輪的葉片危險區(qū)域產(chǎn)生焊接殘余壓應(yīng)力。

轉(zhuǎn)輪分段焊優(yōu)化工藝的確定

根據(jù)葉片的危險區(qū)域是在葉片出水邊的焊縫附近,在轉(zhuǎn)輪的分段焊焊接過程中,采用先焊兩端后焊中間的方法,后焊焊段對葉片危險區(qū)域的殘余拉應(yīng)力造成影響,導(dǎo)致此區(qū)域的拉應(yīng)力數(shù)值下降,甚至變成殘余壓應(yīng)力。

分段焊的分段方式如圖1所示,圖中的①,②和③分別表示葉片焊縫區(qū)域焊段的編號,④和⑤分別表示葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角編號。

水輪機轉(zhuǎn)輪.png

 

具體的焊接工藝如下

1. 焊前預(yù)熱:100-120℃,預(yù)熱可根據(jù)實際情況,采用履帶式電加熱器加熱的方法。

2. 焊接方法:采用氣體保護(hù)焊,保護(hù)氣體為78%Ar+22%CO2

3. 焊接參數(shù):焊接電流為240A,電弧電壓為30V,層間溫度不高150℃。

4. 焊段長度:葉片出水邊的焊段②控制在40-90mm范圍內(nèi),焊段③控制在90-110mm范圍內(nèi),焊段位置包括葉片與上冠之間以及葉片與下環(huán)之間兩處。

5. 葉片圓角:葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角(④和⑤)在進(jìn)行葉片中間焊段焊①前全部完成。

轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力測量

采用盲孔法對焊后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測試系統(tǒng),由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力精密鉆孔裝置組成。儀器軟件操作,自動實時計算殘余應(yīng)力,并實時顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值,精度高,測量結(jié)果準(zhǔn)確。

應(yīng)變測點選擇;沿葉片出水邊且垂直焊縫方向共測5個點;在離熔合線20mm與40mm的位置上,沿焊縫方向上共測5個點,每點的距離是30mm。 

 水輪機轉(zhuǎn)輪1.png

2是當(dāng)葉片出水邊焊段長度是60mm時,葉片出水邊附近橫向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布,圖中的距離表示點到下環(huán)的最近距離。從圖中可以看出,按非分段焊接工藝進(jìn)行焊接時,轉(zhuǎn)輪葉片在焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū)出現(xiàn)橫向殘余拉應(yīng)力,在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力,并且在熔合線附件出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。按分段焊工藝進(jìn)行焊接時,葉片出水邊附近沿垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力全部為殘余壓應(yīng)力。這一結(jié)果有效地證明了分段焊可以降低葉片危險區(qū)域的殘余拉應(yīng)力峰值,并且如果在焊段長度選擇合理的情況下,甚至可以將葉片危險區(qū)域的橫向殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

3是當(dāng)葉片出水邊焊段長度是60mm時,橫向殘余應(yīng)力沿平行于焊縫方向的應(yīng)力分布情況,其中距離表示點到葉片出水邊的距離,同時所有點距離焊縫熔合線的距離都是20mm。

通過分析可以看出,在平行于焊縫的方向上,分段焊的殘余應(yīng)力在距離葉片出水邊為80mm的范圍內(nèi),與普通焊相比,殘余應(yīng)力明顯降低,并且變成壓應(yīng)力;而距離超過80mm時,分段焊與非分段焊殘余應(yīng)力值的差距越來越小。在分段焊過程中,當(dāng)焊縫兩端完成進(jìn)行中間段的焊接時,中間焊段的殘余壓縮塑性變形會影響鄰近區(qū)域,增加了鄰近區(qū)域的殘余拉伸塑性變形,造成此區(qū)域的應(yīng)力值下降。

4是分段焊葉片出水邊上的殘余應(yīng)力與出水邊焊段長度的關(guān)系,其中圖中點1、2與點3的位置分別在焊縫、熔合線以及距離熔合線20mm的位置。通過分析可知,當(dāng)葉片出水邊焊段的長度是40mm時,葉片出水變附近的殘余應(yīng)力最小,隨著長度的增加,殘余應(yīng)力逐漸增加。此結(jié)果與平板焊的結(jié)果基本相同,進(jìn)一步說明了平板試驗設(shè)計的合理性。

結(jié)論

1. 采用先焊葉片出水邊焊段,后焊中間焊段的分段焊方法,能有效降低葉片危險區(qū)域附近的殘余拉應(yīng)力峰值,并產(chǎn)生了焊接殘余壓應(yīng)力;在垂直于焊縫方向上,隨著到焊縫熔合線距離的加大,降低效果逐漸減小。

2. 當(dāng)葉片出水邊焊段長度在40mm-90mm的范圍內(nèi),殘余應(yīng)力的降低效果隨著葉片出水邊焊段長度的增加而減??;當(dāng)葉片出水邊焊段的長度為40mm,危險區(qū)域產(chǎn)生了約為-350MPa的焊接殘余壓應(yīng)力。


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