[发明专利]水轮机转轮现场焊接残余应力测试方法

说明书

技术领域

本发明专利用于水轮机转轮残余应力测试，特别是为在现场加工制作的水轮机转轮提供了残余应力测试的系统方法。

背景技术

大型水轮机转轮大都采用了叶片、上冠和下环单件加工，现场组焊的制造方法，叶片和上冠以及下环通过焊接联接，在加工制造中产生了残余应力。从目前我国水电行业的实际情况来看，焊接残余应力是转轮发生裂纹的重要诱因。转轮焊接残余应力的问题，已经引起业主单位和设计、制造等相关单位的高度重视。但是目前并没有一套系统的方法用于对转轮残余应力进行测试和分析，特别是在现场加工制作的水轮机转轮残余应力一直没有适合的方法，而水轮机转轮现场残余应力测试在我国还没有系统进行。

工程上用于残余应力测试的常用方法是电测盲孔法，但是在应用电测盲孔法对水轮机转轮进行残余应力测试分析时，有三个关键的技术问题需要解决：首先是焊缝熔合线的确定。在转轮制造加工中，叶片与上冠和下环的焊缝需要打磨，通过直接观察确定打磨后焊缝熔合线将造成判断上的偏差。其次是焊缝及热影响区退火前后测点的布置方案，采用盲孔法测量残余应力，在已经打孔的位置将无法再次进行测量，那么要对退火前后残余应力进行比较分析以评价退火效果，需要正确的布置焊缝及其热影响区内的测点。最后，由于叶片与上冠和下环联结处被测部位空间狭小，被测表面为复杂的空间曲面，在有些需要测试的焊接部位，叶片与上冠或下环的夹角小于90°，现有电测盲孔法的钻孔工装操作困难，难以实现精确钻孔，造成较大的测试误差，对于叶片焊缝坡口小于50mm的位置，残余应力的测试无法进行。

发明内容

为解决水轮机转轮残余应力存在的技术问题，实现水轮机转轮现场测试，本发明专利提供了电测盲孔法系统测试方案。该方案包括准确判断打磨后焊缝熔合线的位置，转轮焊缝及热影响区退火前后测点布置以及在转轮受限空间内复杂曲面上精确钻孔。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：通过测量叶片焊缝坡口结合打磨后无损检测结果，保证最大限度地准确确定焊缝熔合线。转轮焊缝及热影响区测点的布置方法是，沿焊缝熔合线垂直方向每隔15mm布置一个测点，退火后在同一叶片上将各测点向内平移15mm，并且选择另一叶片在相同位置布置测点进行测试，实现退火前后的分析比较。采用四个球形支脚钻具配合使用放大镜实现复杂曲面受限空间内精确钻孔。

本发明专利有益的实施效果是，实现了水轮机转轮现场残余应力的测试。应用本发明专利对叶片焊缝坡口为20mm-60mm的一组水轮机四台转轮退火前后叶片与上冠和下环焊缝及热影响区的残余应力进行了系统的测试和研究，为该转轮焊接、退火等加工工艺的分析评价以及转轮服役期间的质量监控和分析提供了第一手的实验数据。表1为测试某转轮退火前后焊接残余应力测试结果。

附图说明

图1为本发明专利转轮叶片焊缝及热影响区退火前后测点布置图

图1中1.上冠，2.退火前测点，3.进水边，4.下环，5.出水边，6.叶片，7.退火后测点，8.焊缝熔合线。

图2为本发明专利叶片转角处残余应力钻孔定位

图2中21.球形支脚，22.螺母，23.锁紧螺母，24.钻架，25.钻杆，26.定位套，27.锁紧压盖，28，调整螺钉，29.支架。

具体实施方式

水轮机转轮叶片与上冠和下环焊接而成，准确确定打磨后焊缝熔合线是转轮焊接残余应力测试的第一步。首先测量被测区域叶片焊缝坡口的大小，通过无损检测确定打磨后距离叶片边缘100-200mm内3-5个微裂纹位置，并测量各点距离上冠或下环的距离，如果该距离与该位置叶片焊缝坡口的距离相等，即为焊缝熔合线上的点，这样确定3个点后彼此相连就能确定距离叶片边缘100-200mm内焊缝熔合线的位置。

合理确定测点位置才能对转轮退火前后的残余应力进行对比分析，用以评价退火的效果。为此测点位置的确定方法是以焊缝熔合线为基准，沿与焊缝熔合线垂直方向布置测点。结合附图1具体说明如下：在焊缝熔合线(8)上布置一个测点(2)，向两侧各移动15mm分别布置一个测点(2)。退火后各测点(7)在同一叶片上向内平移15mm作为一个比较对象，另外选取同一转轮的另一叶片在与退火前相同的位置布置测点作为另一个比较对象。

电测法测量残余应力，需要在被测表面粘贴应变花，在粘贴应变花的被测表面钻孔释放残余应力同时进行测量，测量中要求在应变花的中心位置钻孔，否则会引起较大误差甚至测试失败，而现有的钻孔装置不能完成在曲率较大且空间位置狭小的叶片与上冠或下环联结部位精确钻孔。为了能够在叶片与上冠和下环的焊缝及热影响区内实现精确钻孔，采用的钻孔固定装置为四个球形可调节支脚式，结合附图2进行说明如下：钻架(24)置于支架(29)上，四个球形支脚(21)与支架(29)相连接，并通过螺母(23)和锁紧螺母(24)固定于支架(29)上，定位套(26)安装于钻架(24)内，其位置通过调整螺钉(28)进行调整，当位置确定后由锁紧压盖(27)锁紧定位套(26)，钻杆(25)置于定位套(26)内。球形支脚(21)与被测表面为点接触，且各球形支脚(21)距离被测表面的高度可分别调节，保证了在焊接转角大于80°的各区域内灵活摆放钻孔定位装置，实现准确定位钻孔，完成残余应力的释放和测量。