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汽轮机叶片抛喷丸机处理后叶片残余内应力影响说明

文章出处:新葡萄京官网???责任编辑:admin??? 发布时间:2019-01-05 11:41 ??? 点击数:-???【

摘要:汽轮机末级叶片经局部高频淬火后其防水蚀抗力得到提高, 然而由于过渡区的存在, 导致叶片整体性能恶化。 抛喷丸工艺可以改善过渡区的残余应力分布和提高汽轮机叶片的疲劳性能。 研究了抛喷丸前后汽轮机末级叶片 (909mm 叶片和 40 in叶片)的残余内应力分布特点。 研究表明, 抛喷丸能优化汽轮机叶片表面的残余应力状态 , 引有益的残余压应力, 为提高其疲劳性能提供保障。

 

0、前言:

  电站汽轮机末级叶片尺寸较大, 汽轮机运行中, 由于子高速旋转(约3 000r m/ in), 在末级叶片中将形成很大的离心力, 并承受湿蒸汽中夹杂的水滴的冲刷, 从而在末级叶片进汽边造成水蚀 [ 1] ;另外, 叶片还受蒸汽不稳定的周期性扰动力作用产生振动。 末级叶片在离心力、叶片振动引起的动应力以及水冲刷的复杂工况下, 加上腐蚀性的工作环境, 末级叶片的主要失效方式为水蚀、应力腐蚀、疲劳和腐蚀疲劳等 [ 2] 。 为了防水蚀, 常用的工艺措施之一是在叶片进汽边进行局部高频淬火强化。 然而, 高频淬火虽然能显著提高叶片的水蚀抗力, 但局部表面淬火区硬度高, 淬火区与未淬火区之间不可避免地存在过渡区, 由于过渡区组织的不均匀以及残余应力状态的变化, 可能使该区成为叶片的薄弱部位, 导致叶片整体性能恶化 , 从而影响汽轮机的可靠运行[ 3] 。

  抛喷丸能够改变工件和试样的残余应力状态, 可以改善过渡区的残余应力分布, 在表层引入有益的残余压应力, 提高汽轮机叶片的疲劳性能 [ 4] 。 为了掌握抛喷丸对汽轮机叶片残余应力分布的影响规律, 本文研究了抛喷丸前后末级 909mm

叶片和 40 in 叶片的残余应力分布。 叶片材料为

1C r12N i3M o2VN 马氏体不锈钢, 抛喷丸强度0. 5A(mm)

 

 

1、测试方法:

       
                   
   

图 1为 909mm 叶片和 40 in叶片残余应力测试点分布示

意图。 残余内应力测试在 R IGAKU DANK I企业生产的 M SF

- 2M  X 射线应力分析仪上进行。

   
   

测试条件为:衍射谱线:C o 靶 Kα1 辐射;衍射晶面:

(310);管电压:30kV;管电流:10mA;出光口采用平行光束技

;定点计数;步进扫描。采用 PSF 常规法中的固定 ψ0 法测

,

预设

ψ0

°15

°30°45°,

半高宽法定峰

2

法计

               

sin

ψ

算应力。

             
   

残余应力 σr 由下式求得[ 5] :

   
           

σr  =KM

 

(1)

式中, K 为 X 射线应力常数, K = - 197M P a;M 为

(2θ) /

(sin2 ψ),  2θ- sin2 ψ直线的斜率系实验确定值。 仪器测

量误差 ±20M Pa

       
   

叶片残余应力测试照片如图 2 所示。 每只叶片的各点

分别测试了沿叶片长度方向(纵向 )和垂直于长度方向 (


   

2 、测试结果与分析:

  抛喷丸前后叶片残余内应力测试结果如图 3和图 4 所示。比较图 3和图 4数据可以看出, 抛喷丸前, 909mm 叶片无论是横向还是纵向, 其残余应力状态均为压应力, 除个别点外, 纵向压应力大于横向, 最大纵向残余应力为 - 469. 4M Pa, 最小纵向应力为 - 150. 8M P a;而相应的横向应力分别为 - 356. 5 M Pa和 - 98. 4M P a;40 in叶片, 除个别点外, 残余应力表现为拉应力, 最大纵向拉应力达 450. 4M P a, 最大横向拉应力为 432. 2M Pa, 而且不同测试点残余应力值差别较大。 两只叶片残余应力状态的不同, 可能是由于机加工不同造成的。 与抛喷丸前各点的残余内应力相比, 经过抛喷丸的两只叶片的残余应力状态都发生了有益的变化。 

  对于 909mm 叶片, 几乎所有测试点的残余压应力值均在 - 500M P a以上, 最大残余压应力达 - 700M P a, 横向残余应力提高幅度在 15% ~ 533%(见图 3), 大部分点在 100%以上。 与抛喷丸前相比, 纵向与横向的残余应力差值变小, 残余应力分布更加均匀。 而对于 40in 叶片, 绝大多数点经抛喷丸后由拉应力转变为压应力, 最大残余压应力达 - 684. 8M P a, 应力变化幅度最高可达 498%(见图 4);但个别点仍保留残余拉应力状态, 如 15点和 9点纵向应力;909mm 叶片 6点和 40in叶片 8点横向压应力抛喷丸后反而出现下降, 可能是由于抛喷丸不均匀造成的。

  测试过程中, 当出现误差较大的情况时, 改变 ψ0 的预设值重新测量。 909mm 叶片 2点横向应力、6点纵向应力以及 40 in叶片 12点横向应力抛喷丸前后均经多次测量未能测出。观察试样表面状况及测试点的位置, 发现 909mm 叶片 2点表面粗糙, 从而影响了残余应力测量的精度;而 40in叶片 12 点位于焊接拉筋区, 该区位置曲率较大 , 表面呈加工形成的波浪状, 从而影响了测量的精度。 试样表面不平整(40in叶片)和氧化腐蚀严重(909mm 叶片)均会引起试样表面粗糙度的增加, 从而导致各点测量精度的下降;除此之外, 叶片不规则的外形使得测试点衍射区域(即光斑 )扩大以及某些测试点的表面曲率过大、叶片材料内部的织构对 X 射线衍射分析结果也会产生影响[ 5] 。

 

 

3、结论:

 

 

 

 

(1)抛喷丸前, 909mm 叶片的横向和纵向残余应力均为压应力, 纵向应力大于横向应力;对于 40in叶片, 大多数测点处于残余拉应力状态, 不同测点的残余应力值差别较大, 少数测点为残余压应力。

 

 

(2)与抛喷丸前各点的残余内应力相比, 经过抛喷丸的两只叶片无论是横向还是纵向均在叶片表面形成了较大的残余压应力, 残余应力最高提高倍数达 6倍多;各测点之间残余应力差值减小, 分布趋于均匀。

 

 

(3)抛喷丸能优化汽轮机叶片表面的残余应力状态, 引入有益的残余压应力, 为提高其疲劳性能提供保障。

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