[发明专利]提高混流式转轮抗疲劳性能的局部压应力化方法

说明书

技术领域：本发明涉及一种提高混流式转轮抗疲劳性能的局部压应力化方法。

背景技术：水轮机是一种把水流的机械能转变为旋转机械能的动力机械。而转轮是水轮机最关键的部件之一，它的质量直接影响水轮机的效率和使用寿命。目前，大型水电站普遍采用混流式水轮机，其转轮大多由叶片、上冠与下环组焊而成，在转轮运行中，发生最频繁的失效形式是由动态加载引起的疲劳。而且，混流式转轮的疲劳开裂倾向于发生在设计寿命内，失效由低周疲劳和高周疲劳共同作用导致，如果加载足够大，开机-停机循环将使制造缺陷裂纹扩展或使得应力集中区域萌生裂纹，当转轮转速达到每分钟几百转时，振动频率或者高周疲劳周次，一旦裂纹达到高周疲劳加载的疲劳裂纹扩展的临界值，裂纹将在非常短的时间内扩展并引起转轮叶片的断裂。因此，最近十年，转轮的机械设计过程引入了动态加载模式对转轮疲劳寿命的影响。

近年来，随着我国水利资源的开发和利用，大型机组不断涌现，大直径混流式转轮被广泛应，国内已建成的大型电站中，运行的混流式转轮在投运后都不同程度的出现了裂纹，已严重危及到机组的安全运行。混流式转轮最大弯曲应力出现在叶片与下环或者上冠连接处的T型焊接接头区域，由于应力集中，这两个区域的局部应力最高，因此也就是疲劳发生的最危险的区域。通过对国内外的一些裂纹事故的分析报告和有关文献资料的研究表明，裂纹产生的位置大都在转轮出水边的焊缝、热影响区及附近的叶片边缘，而转轮疲劳裂纹主要是由于转轮所受的交变工作应力与转轮在焊接过程产生较高焊接残余应力共同作用的结果。由于这种开裂是不可预期的、而且发生在设计寿命之内，因此危害很大，不仅严重影响转轮使用寿命，威胁电站的安全运行。同时，叶片开裂导致的水轮机效率降低，检查及维修过程的停机，以及维修费用的投入都会影响到电站的经济效益。

各国的水电设备制造公司均投入人力物力，研究叶片裂纹问题，对有关机组转轮裂纹事故，进行了现场分析与调查，并提出了一些解决转轮裂纹的方法，如多层多道焊的焊道锤击、在下环焊缝中部安装楔子板、在下环焊缝外面增加加强板、在下环的上下端部先焊上搭块与在焊前在上冠处装上假轴等，也针对具体情况提出了相应的焊接裂纹修复措施，但均未能从根本上解决问题，叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键技术难题之一。

发明内容：本发明的目的是提供一种实现了转轮出水边易开裂区域局部压应力化，有效解决转轮的设计寿命内的疲劳开裂问题，提高转轮的抗疲劳性能的提高混流式转轮抗疲劳性能的局部压应力化方法。本发明的技术方案为：一种提高混流式转轮抗疲劳性能的局部压应力化方法，在混流式转轮组焊的过程中，首先完成叶片出水边（水流出转轮流道一侧叶片的边缘）焊段的焊接，焊接过程起弧于出水边，焊段长度控制在40mm-90mm范围内；然后完成进水边（水流入转轮流道一侧叶片的边缘）焊段的焊接，焊接过程起弧于进水边，焊段长度控制在90mm-110mm范围内；中间所有焊段均起弧于靠近进水边的一侧，收弧于靠近出水边一侧，由进水边一侧开始，顺次完成转轮的焊接，且每段焊段程度控制在500mm-600mm范围内。在转轮焊接完成和整体退火之前增加了局部热处理工艺，对叶片出水边焊缝区域的焊接残余应力场进行调控，处理过程中采用乙炔对叶片进行加热，其中，加热温度为580℃，采用在垂直焊缝的方向上加热的方法，加热长度为200mm，宽度为100mm；当叶片出水边附近区域的温度到达50℃时，停止加热，加热区域的边缘离叶片出水边边缘的距离控制在150mm。

本发明基于混流式转轮叶片出水边焊缝区域的焊接残余拉应力是导致混流式转轮疲劳开裂的重要原因，以及焊接残余压应力的存在能够有效提高焊接结构的抗疲劳性能，通过调控转轮易开裂区域（叶片出水边焊缝区域）的焊接残余应力分布，实现该区域的局部压应力化来提高混流式转轮的抗疲劳开裂性能。

本发明通过优化转轮的焊接工艺，对焊接残余应力场的分布进行优化调控，叶片出水边焊缝及其附近区域的残余拉应力明显降低，并转化为压应力，实现了混流式转轮叶片出水边易开裂区域的局部压应力化，在此基础上，采用局部热处理的方法对转轮出水边焊缝区域进行局部处理，进一步降低转轮出水边易开裂区域的残余应力值，形成较高的残余压应力区，促进转轮易开裂区域的压应力化程度的提高，从而提高转轮的抗疲劳性能。

附图说明

图1是优化的混流式转轮焊接工艺示意图

图2是局部热处理区域分布示意图

图3是混流式转轮原有焊接工艺

图4是混流式转轮局部压应力化化焊接工艺

图5是垂直焊缝方向残余应力测试位置分布

图6是平行焊缝方向残余应力测试位置分布