專利名稱：提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法。
背景技術(shù)：
水輪機(jī)是一種把水流的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)機(jī)械能的動力機(jī)械。而轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)最關(guān)鍵的部件之一，它的質(zhì)量直接影響水輪機(jī)的效率和使用壽命。目前，大型水電站普遍采用混流式水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪大多由葉片、上冠與下環(huán)組焊而成，在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行中，發(fā)生最頻繁的失效形式是由動態(tài)加載引起的疲勞。而且，混流式轉(zhuǎn)輪的疲勞開裂傾向于發(fā)生在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，失效由低周疲勞和高周疲勞共同作用導(dǎo)致，如果加載足夠大，開機(jī)-停機(jī)循環(huán)將使制造缺陷裂紋擴(kuò)展或使得應(yīng)力集中區(qū)域萌生裂紋，當(dāng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到每分鐘幾百轉(zhuǎn)時，振動頻率或者高周疲勞周次，一旦裂紋達(dá)到高周疲勞加載的疲勞裂紋擴(kuò)展的臨界值，裂紋將在非常短的時間內(nèi)擴(kuò)展并引起轉(zhuǎn)輪葉片的斷裂。因此，最近十年，轉(zhuǎn)輪的機(jī)械設(shè)計(jì)過程引入了動態(tài)加載模式對轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的影響。近年來，隨著我國水利資源的開發(fā)和利用，大型機(jī)組不斷涌現(xiàn)，大直徑混流式轉(zhuǎn)輪 被廣泛應(yīng)，國內(nèi)已建成的大型電站中，運(yùn)行的混流式轉(zhuǎn)輪在投運(yùn)后都不同程度的出現(xiàn)了裂紋，已嚴(yán)重危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。混流式轉(zhuǎn)輪最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在葉片與下環(huán)或者上冠連接處的T型焊接接頭區(qū)域，由于應(yīng)力集中，這兩個區(qū)域的局部應(yīng)力最高，因此也就是疲勞發(fā)生的最危險的區(qū)域。通過對國內(nèi)外的一些裂紋事故的分析報告和有關(guān)文獻(xiàn)資料的研究表明，裂紋產(chǎn)生的位置大都在轉(zhuǎn)輪出水邊的焊縫、熱影響區(qū)及附近的葉片邊緣，而轉(zhuǎn)輪疲勞裂紋主要是由于轉(zhuǎn)輪所受的交變工作應(yīng)力與轉(zhuǎn)輪在焊接過程產(chǎn)生較高焊接殘余應(yīng)力共同作用的結(jié)果。由于這種開裂是不可預(yù)期的、而且發(fā)生在設(shè)計(jì)壽命之內(nèi)，因此危害很大，不僅嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)輪使用壽命，威脅電站的安全運(yùn)行。同時，葉片開裂導(dǎo)致的水輪機(jī)效率降低，檢查及維修過程的停機(jī)，以及維修費(fèi)用的投入都會影響到電站的經(jīng)濟(jì)效益。各國的水電設(shè)備制造公司均投入人力物力，研究葉片裂紋問題，對有關(guān)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋事故，進(jìn)行了現(xiàn)場分析與調(diào)查，并提出了一些解決轉(zhuǎn)輪裂紋的方法，如多層多道焊的焊道錘擊、在下環(huán)焊縫中部安裝楔子板、在下環(huán)焊縫外面增加加強(qiáng)板、在下環(huán)的上下端部先焊上搭塊與在焊前在上冠處裝上假軸等，也針對具體情況提出了相應(yīng)的焊接裂紋修復(fù)措施，但均未能從根本上解決問題，葉片裂紋問題已成為水電站急需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪出水邊易開裂區(qū)域局部壓應(yīng)力化，有效解決轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的疲勞開裂問題，提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能的提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法，在混流式轉(zhuǎn)輪組焊的過程中，首先完成葉片出水邊(水流出轉(zhuǎn)輪流道一側(cè)葉片的邊緣)焊段的焊接，焊接過程起弧于出水邊，焊段長度控制在40mm-90mm范圍內(nèi)；然后完成進(jìn)水邊(水流入轉(zhuǎn)輪流道一側(cè)葉片的邊緣)焊段的焊接，焊接過程起弧于進(jìn)水邊，焊段長度控制在90mm-110_范圍內(nèi)；中間所有焊段均起弧于靠近進(jìn)水邊的一側(cè)，收弧于靠近出水邊一側(cè)，由進(jìn)水邊一側(cè)開始，順次完成轉(zhuǎn)輪的焊接，且每段焊段程度控制在500mm-600mm范圍內(nèi)。在轉(zhuǎn)輪焊接完成和整體退火之前增加了局部熱處理工藝，對葉片出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行調(diào)控，處理過程中采用乙炔對葉片進(jìn)行加熱，其中，加熱溫度為580°C，采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，加熱長度為200mm，寬度為100mm;當(dāng)葉片出水邊附近區(qū)域的溫度到達(dá)50°C時，停止加熱，加熱區(qū)域的邊緣離葉片出水邊邊緣的距離控制在150mm。本發(fā)明基于混流式轉(zhuǎn)輪葉片出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力是導(dǎo)致混流式轉(zhuǎn)輪疲勞開裂的重要原因，以及焊接殘余壓應(yīng)力的存在能夠有效提高焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，通過調(diào)控轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域(葉片出水邊焊縫區(qū)域)的焊接殘余應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的局部壓應(yīng)力化來提高混流式轉(zhuǎn)輪的抗疲勞開裂性能。本發(fā)明通過優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的焊接工藝，對焊接殘余應(yīng)力場的分布進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，葉片出水邊焊縫及其附近區(qū)域的殘余拉應(yīng)力明顯降低，并轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了混流式轉(zhuǎn)輪葉片出水邊易開裂區(qū)域的局部壓應(yīng)力化，在此基礎(chǔ)上，采用局部熱處理的方法對轉(zhuǎn)輪出水邊焊縫區(qū)域進(jìn)行局部處理，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)輪出水邊易開裂區(qū)域的殘余應(yīng)力值，形成較高的殘余壓應(yīng)力區(qū)，促進(jìn)轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的壓應(yīng)力化程度的提高，從而提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能。


圖I是優(yōu)化的混流式轉(zhuǎn)輪焊接工藝示意2是局部熱處理區(qū)域分布示意3是混流式轉(zhuǎn)輪原有焊接工藝圖4是混流式轉(zhuǎn)輪局部壓應(yīng)力化化焊接工藝圖5是垂直焊縫方向殘余應(yīng)力測試位置分布圖6是平行焊縫方向殘余應(yīng)力測試位置分布圖7是轉(zhuǎn)輪出水邊區(qū)域垂直焊縫方向焊接殘余應(yīng)力分布圖8是轉(zhuǎn)輪出水邊區(qū)域平行焊縫方向焊接殘余應(yīng)力分布圖9是轉(zhuǎn)輪出水邊區(qū)域垂直焊縫方向焊接殘余應(yīng)力分布圖10是轉(zhuǎn)輪出水邊區(qū)域平行焊縫方向焊接殘余應(yīng)力分布圖11是焊后、局部熱處理后及整體熱處理后轉(zhuǎn)輪葉片出水邊平行焊縫方向殘余應(yīng)力分布
具體實(shí)施例方式如圖I所示，在混流式轉(zhuǎn)輪組焊的過程中，首先完成葉片出水邊焊段I的焊接，焊接過程起弧于出水邊，焊段長度控制在40mm—90mm范圍內(nèi)；然后完成進(jìn)水邊焊段2的焊接，焊接過程起弧于進(jìn)水邊，焊段長度控制在90mm-lIOmm范圍內(nèi)；中間所有焊段均起弧于靠近進(jìn)水邊的一側(cè)，收弧于靠近出水邊一側(cè)，由進(jìn)水邊一側(cè)開始，順次完成余下焊段(3，4，…，η)的焊接，且每段焊段程度控制在500mm — 600mm范圍內(nèi)。在轉(zhuǎn)輪焊接完成和整體退火之前增加了局部熱處理工藝，對葉片出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行調(diào)控，處理過程中采用乙炔對葉片進(jìn)行加熱，其中，加熱溫度為580°C，采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，加熱長度為200mm，寬度為IOOmm ;加熱區(qū)域的邊緣離葉片出水邊邊緣的距離控制在150mm，局部加熱位置分布如圖2所示。當(dāng)葉片出水邊附近區(qū)域的溫度到達(dá)50°C時，停止加熱。將提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法應(yīng)用于南水及混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際加工制造過程。為了解局部壓應(yīng)力化方法的應(yīng)用效果，分別應(yīng)用原有制造工藝和局部壓應(yīng)力化的焊接工藝對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行焊接。原有焊接工藝如圖3所示，由轉(zhuǎn)輪葉片的中間部位開始焊起(焊段I )，采取退步分段焊接的方法完成整個轉(zhuǎn)輪的焊接(焊段II及III部分的1，2……，n)，相對于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊而言，出水邊焊段的焊接最后完成，而且，由遠(yuǎn)離出水邊一側(cè)啟弧，在出水邊一側(cè)收弧。轉(zhuǎn)輪局部壓應(yīng)力化焊接工藝如圖4所示，首先完成出水邊焊段(焊段I )的焊接，焊接過程起弧于出水邊，然后完成進(jìn)水邊焊段(焊段II)的焊接，而中間所有焊段由靠近進(jìn)水邊一側(cè)起弧，收弧于靠近出水邊一側(cè)，順次完成其余焊段(焊段III部分的1，2……，η)的焊接。采用盲孔應(yīng)力釋放法對轉(zhuǎn)輪葉片與下環(huán)出水邊焊縫部位進(jìn)行了殘余應(yīng)力測試。測試設(shè)備包括應(yīng)力儀，型號YC- III型；應(yīng)力測量裝置，哈爾濱大電機(jī)研究所研制的轉(zhuǎn)輪專用殘余應(yīng)力測量裝置；應(yīng)變片，型號Tjl20-l. 5-Φ1. 5、孔徑Φ1. 5mm、孔深2. 0mm。測量標(biāo)準(zhǔn)CB 3395-1992。測試過程分別在焊后、局部熱處理后及熱處理后進(jìn)行。測試位置如圖5、6所示。實(shí)例I :圖7和圖8分別為轉(zhuǎn)輪在原有及局部壓應(yīng)力化焊接工藝條件下葉片出水邊附近焊接殘余應(yīng)力分布，其中圖6為垂直焊縫方向(圖中距離為測試點(diǎn)至焊縫中心的距 離)，圖7為平行焊縫方向(圖中距離表示測試點(diǎn)至葉片出水邊的距離，并且所有測試點(diǎn)距離熔合線的距離均為20mm)。從圖中可以看出，采用原有工藝進(jìn)行焊接時，在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊易開裂區(qū)域(焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū))存在較高的殘余拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，并且在熔合線附近出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。采用局部壓應(yīng)力化的焊接工藝進(jìn)行焊接時，轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，葉片出水邊附近的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，在距離下環(huán)與出水邊IOOmmXSOmm的范圍內(nèi)形成局部壓應(yīng)力區(qū)，而且越靠近出水邊，殘余壓應(yīng)力值越大。實(shí)現(xiàn)了局部壓應(yīng)力化，實(shí)例2 :圖9和圖10分別為轉(zhuǎn)輪在原有及局部壓應(yīng)力化焊接工藝條件下葉片出水邊附近焊接殘余應(yīng)力分布，其中圖8為垂直焊縫方向，圖9為平行焊縫方向從圖中可以看出，采用原有工藝進(jìn)行焊接時，在轉(zhuǎn)輪葉片出水邊易開裂區(qū)域(焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū))存在較高的殘余拉應(yīng)力，而壓應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，并且在熔合線附近出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。采用局部壓應(yīng)力化的焊接工藝進(jìn)行焊接時，轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，葉片出水邊附近的殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，在距離下環(huán)與出水邊220mmX90mm的范圍內(nèi)形成局部壓應(yīng)力區(qū)，實(shí)現(xiàn)了該區(qū)域的局部壓應(yīng)力化，可有效提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能。實(shí)例3 :轉(zhuǎn)輪焊接完成后，對局部壓應(yīng)力化焊接工藝得到的混流式轉(zhuǎn)輪應(yīng)用了局部熱處理工藝，以確定局部熱處理工藝的局部壓應(yīng)力化效果。圖11為焊后、局部熱處理后及整體熱處理后焊縫熔合線附近平行于焊縫方向的焊接殘余應(yīng)力分布情況，可以看到局部加熱可以有效的調(diào)控殘余應(yīng)力場的分布，使轉(zhuǎn)輪出水邊易開裂區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力值顯著降低，形成較高的殘余壓應(yīng)力區(qū)，而在遠(yuǎn)離出水邊的區(qū)域，造成殘余拉應(yīng)力值的升高。在對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行整體熱處理后，出水邊區(qū)域的殘余壓應(yīng)力值有一定降低，而遠(yuǎn)離出水邊區(qū)域的高拉應(yīng)力值顯著降低，與焊后出水邊焊接殘余應(yīng)力分布情況相比，兩個熱處理過程綜合的結(jié)果使出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)一步下降，有效促進(jìn)了混流式轉(zhuǎn)輪葉片出水邊易開裂區(qū)域局部壓應(yīng)力化的實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法，其特征是在混流式轉(zhuǎn)輪組焊的過程中，首先完成葉片出水邊(水流出轉(zhuǎn)輪流道一側(cè)葉片的邊緣)焊段的焊接，焊接過程起弧于出水邊，焊段長度控制在40mm-90mm范圍內(nèi)；然后完成進(jìn)水邊(水流入轉(zhuǎn)輪流道一側(cè)葉片的邊緣)焊段的焊接，焊接過程起弧于進(jìn)水邊，焊段長度控制在90mm — I IOmm范圍內(nèi)；中間所有焊段均起弧于靠近進(jìn)水邊的一側(cè)，收弧于靠近出水邊一側(cè)，由進(jìn)水邊一側(cè)開始，順次完成轉(zhuǎn)輪的焊接，且每段焊段程度控制在500mm — 600mm范圍內(nèi)。在轉(zhuǎn)輪焊接完成和整體退火之前增加了局部熱處理工藝，對葉片出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力場進(jìn)行調(diào)控，處理過程中采用乙炔對葉片進(jìn)行加熱，其中，加熱溫度為580°C，采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，加熱長度為200mm，寬度為IOOmm ;當(dāng)葉片出水邊附近區(qū)域的溫度到達(dá)50°C時，停止加熱，加熱區(qū)域的邊緣離葉片出水邊邊緣的距離控制在150_。
全文摘要
本發(fā)明為一種提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的焊接工藝，對焊接殘余應(yīng)力場的分布進(jìn)行優(yōu)化調(diào)控，葉片出水邊焊縫及其附近區(qū)域的殘余拉應(yīng)力明顯降低，并轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了混流式轉(zhuǎn)輪葉片出水邊易開裂區(qū)域的局部壓應(yīng)力化，在此基礎(chǔ)上，采用局部熱處理的方法對轉(zhuǎn)輪出水邊焊縫區(qū)域進(jìn)行局部處理，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)輪出水邊易開裂區(qū)域的殘余應(yīng)力值，形成較高的殘余壓應(yīng)力區(qū)，促進(jìn)轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的壓應(yīng)力化程度的提高，從而提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能。
文檔編號C21D9/50GK102814573SQ20121016373
公開日2012年12月12日 申請日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者程廣福, 張立娟, 王輝亭, 過潔, 趙鵬, 侯世璞, 魏松 申請人:哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司