[發(fā)明專利]提高混流式轉(zhuǎn)輪抗疲勞性能的局部壓應(yīng)力化方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210163734.2
• 申請(qǐng)日: 2012-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN102814573A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程廣福;張立娟;王輝亭;過潔;趙鵬;侯世璞;魏松
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): B23K9/00
• 分類號(hào): B23K9/00;C21D9/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

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(dòng)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(dòng)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(shí)，振動(dòng)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(shí)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(dòng)態(tài)加載模式對(duì)轉(zhuǎn)輪疲勞壽命的影響。

近年來，隨著我國(guó)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(guó)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(gè)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(xiǎn)的區(qū)域。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外的一些裂紋事故的分析報(bào)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(shí)，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(huì)影響到電站的經(jīng)濟(jì)效益。

各國(guó)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(duì)有關(guān)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋事故，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度控制在90mm-110mm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(duì)葉片出水邊焊縫區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行調(diào)控，處理過程中采用乙炔對(duì)葉片進(jìn)行加熱，其中，加熱溫度為580℃，采用在垂直焊縫的方向上加熱的方法，加熱長(zhǎng)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℃時(shí)，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(duì)焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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。

附圖說明

圖1是優(yōu)化的混流式轉(zhuǎn)輪焊接工藝示意圖

圖2是局部熱處理區(qū)域分布示意圖

圖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(cè)試位置分布

圖6是平行焊縫方向殘余應(yīng)力測(cè)試位置分布