水轮机转轮叶片焊接残余应力分析

1、46焊接技术第31卷第2期2002年4月焊接残余应力是焊接结构内局部区域发生不可逆的塑性变形所致的自平衡应力,其拉应力与压应力同时产生而又相互平衡。焊接残余应力与焊件的材料、拘束度、焊件的厚度、焊接工艺参数以及热处理工艺等有关。一般说来,焊接残余应力对焊接结构的静载强度、抗疲劳强度、应力腐蚀过程有较大影响。我国现役的混流式水轮机转轮,大多采用焊接结构。这种转轮在运行一段时间以后,会在叶片焊缝处产生腐蚀疲劳裂纹,而在导致其产生裂纹的诸因素中,焊接残余应力起加速应力腐蚀过程的作用,残余拉应力更是降低其抗疲劳强度。因此,分析了解转轮叶片焊接残余应力,对转轮制造或修复时采取合理的工艺措施有重要的理论和

2、实际工程意义。!转轮叶片焊接残余应力测试对某水电厂1台混流式水轮发电机转轮叶片的焊接残余应力进行了现场测试,具体情况如下。1.1测试技术条件采用YC-!型残余应力测试装置、TJ-120-1.5-!1.5常温应变花(电阻值115",灵敏系数2.08、502快干胶(AAA级,日本产、用盲孔释放法(盲孔!1.5mm,钻孔深度2.0mm。1.2现场测试a.工件资料转轮材质上冠为ZG20Mnsi,叶片为ZG0Cr13ni6MO;焊接采用双面焊条电弧焊,未热处理。b.测点布置取2个特征点布置测点。1个在13号叶片无裂纹焊缝上,另1个在3号叶片经裂纹修复后的焊缝上。2处对应的工件厚度:13号50m

3、m,3号70mm,应变片布置见图1、2(单位:mm。c.测试数据分别测试各应变值大小,然后依式(1式(3计算应力大小。"1=#1!#24"!14#(#1!#32!2#2$(#1!#3V2(1 "2=#1!#24"$14#(#1!#32!2#2$(#1!#3V2(2tg2$=2#2$#1$#3#3$#1(3式中",#为释放系数;$为主应力方向;#1,#2,#3为测试的应变值。经计算后得到应力数据见表1。"试板焊接残余应力测试为进行比较分析和更深入的研究,在试验室用同类型材质厚钢板对接焊缝进行了焊缝残余应力测试。2.1试验室有关技术条件a

4、.焊接试板有关参数试板尺寸为300mm X250mm X45mm;试板材质ZG0Cr13ni4MO(与ZG0Cr13ni6MO属同类型材质;双面U 形坡口焊条电弧焊,未热处理。b.应力测点布置:按焊缝长度3等份,其中:焊缝上1点;左边热影响区1点;右边热影响区1点。具体测点位置见收稿日期:2001-09-10表!叶片残余应力现场测试数据测试点编号12叶片位置编号133"1/Mpa856.4726.5" 2 /Mpa137.949.1表中"1为焊缝横向应力,"2为焊缝纵向应力图"#号叶片裂纹修复后焊缝残余应力测试部位示意图图!#号叶片原始焊缝残余

5、应力测试部位示意图图3。c.应力测试技术条件与现场测试技术条件相同,测试过程中应力常数!,"值按常规取值。2.2残余应力测试测得有关数据,计算后结果见表2。表!试板焊接残余应力值"残余应力测试结果分析与讨论3.1测试结果分析对测试得到的表1和表2数据做以下分析:a.转轮叶片焊缝存在很大残余拉应力;b.焊缝区表面残余应力大于热影响区表面残余应力;c.转轮叶片焊缝表面横向残余应力大于纵向残余应力,与试验室试板焊缝情况相反;c.现场测得的横向残余应力大于试验室测得的相应数据,而纵向残余应力情况相反;e.焊接残余应力!1大于ZG0cr13Ni4MO,ZG0cr13Ni6MO 的屈服

6、强度!0.2,且分别接近或大于其抗拉强度!#。3.2测试结果讨论a.鉴于在测试现场条件的局限性,测得的转轮叶片焊接残余应力数值可能不够准确,但仍可供构件受力分析时参考,有助于正确判断残余应力分布趋势;b.测得的应力大小与焊缝受拘束程度成正比。如转轮叶片为变截面的厚大件,焊接时焊缝金属的收缩会受到来自整个转轮很大的横向拘束,而焊缝纵向拘束较小,使得焊缝横向残余应力较纵向残余应力大得多;试验室条件下的焊接试板正好相反,焊缝的自由收缩条件好得多,此时纵向拘束明显大于横向拘束,当然纵向残余应力也就大于横向残余应力了;c.现场测试的3号叶片焊缝裂纹修复时采用了局部应力控制措施,其应力值较13号叶片显著降

7、低(尚且未考虑2测点处母材厚度差别,说明采用适当的焊接工艺措施以降低残余应力是可行的;c.水轮机焊接转轮体积庞大,难以进行整体消除应力热处理,叶片焊缝及热影响区中拘束应力、多层多道焊产生的应变积累形成的拉应力用局部热处理和后热的方法更不能消除,只能降低应力峰值。由此可见,水轮机转轮叶片的焊缝及热影响区必定有很高的焊接残余应力。#结语水轮机转轮叶片中的焊接残余应力对于其产生裂纹的影响不能低估。清楚地了解残余应力的形成过程与分布及在转轮运行中的演变,还有很多工作要做。当前水轮机转轮叶片裂纹的问题已成为困扰着机组安全稳定运行的大问题,要解决此问题,除了进行改善机组运行工况方面的研究外,在转轮制造时、

8、在进行叶片裂纹焊接修复时采取一些有效的控制焊接残余应力的措施也是必不可少的。作者简介:杨其良(1956,高级工程师.测试点编号应力值!2/Mpa应力值!1/Mpa1672.3422.92697.2479.93638.3402.7备注焊缝纵向焊缝横向+图"焊接试板应变片布置图*专利信息*专利申请号:99113560公开号:1236086发明名称:直冷式奶罐满液板式蒸发器及其点焊工艺文摘:一种直冷式奶罐满液板式蒸发器及其双面点焊工艺。由于采用厚度比更大的两块不锈钢板和增加焊点的新设计,使双面点焊可以采用远小于传统的电极工作压力,从而使得与牛奶直接接触的厚不锈钢板一侧无点焊凹坑,便于奶罐罐

9、体内壁的镜面抛光工序,大大节省奶罐的加工工时。而且焊点质量优异,在充气鼓形中无焊点爆裂现象,成品率高。此外节省了昂贵的不锈钢薄板材料。专利申请号:99113377公开号:1256351发明名称:一种利用卷筒修补套管的方法文摘:本发明提供了一种油田开发中井下作业利用卷筒修补套管的方法。该方法的主要技术特征是用卷筒法将设计的特殊钢板通过卷板机卷取成形(卷管,用它代替了无缝的钢管,解决了卷管与套管的焊接质量问题,它可以广泛应用于油田井下作业修补套管,其特点是卷管具有弹性和可展开性,故与套管结合紧密,卷管与套管间实现全面熔焊,提高了焊接强度,保证了焊接质量。专利申请号:99112925公开号:1273

10、897发明名称:一种管线钢用高韧性抗腐蚀埋弧焊丝文摘:一种高韧性、抗腐蚀埋弧焊丝,其特征在于:它的主要化学成分(质量分数%为$(c0.01%0.08%,$(Mn1.20% 1.80%,$(Si0.05%0.5%,$(Ti0.03%0.15%,$(B0.001% 0.008%,$(MO0.20%0.55%,$(cu0.20%0.5%,$(Ni0.03%0.5%,$(S<0.005%,$(p<0.01%,其余为Fe。由本发明得到的焊缝金属不但具有更高的强度和韧性,而且能够适合于含硫 化氢天然气输送管线的焊接。专利申请号:99111968公开号:1259416发明名称:无水焊接系统文摘:

11、在电焊系统中使用的、不需要工厂提供空气和水冷却循环的基于电阻焊的焊枪组件。其中基于电阻的力控制器测量焊枪的二级电路的电阻、与当夹持在电极之间时由工件和相对电极形成的电路相并联的二级电路的组合电阻,并计算工件的电阻。把测量电阻与预定电阻比较,并调节电极的夹持力,直到工件的电阻是可接受的。本发明还涉及带有冷却剂管线、包含在冷却剂管线中的冷却剂、热交换器及机械冷却剂泵的闭环冷却剂系统。(美国专利申请号:99110544公开号:1247786发明名称:摩擦压焊装置文摘:具有基座及设在该基座上的压焊机构。压焊机构在可以卸下多个工件的安装状态下,通过摩擦压焊将这些工件接合在一起。基座具有垂直的前表面,压焊机构设置在该前表面上。从而,构成压焊机构的构件不向水平方向伸出,可容易地进行装卸操作。基座的背面具有使有必要进行维修的压焊机构的部位露在外部的贯通孔。从而可从基座的背面通过贯通孔很容易地对压焊机构进行维修。(日本(金专提供结构件的