凯发国际娱乐官网入口 噴丸對汽輪機葉片殘余內應力影響的研究

摘要:汽輪機末*葉片經局部 高頻淬火后其防水蝕抗力得到提高,然而由于過渡區的存在,導致葉片整體性能惡化。拋噴丸工藝可以改善過渡區的殘余應力分布和提高汽輪機葉片的疲勞性能。研究了拋噴丸前后汽輪機末*葉片(909mm葉片和40in葉片)的殘余內應力分布特點。研究表明,拋噴丸能優化汽輪機葉片表面的殘余應力狀態,引有益的殘余壓應力,為提高其疲勞性能提供保障。本文由 吊鉤式拋丸機 生產廠家整理
0、前言：
電站汽輪機末*葉片尺寸較大,汽輪機運行中,由于子高速旋轉(約3000rm/in),在末*葉片中將形成很大的離心力,并承受濕蒸汽中夾雜的水滴的沖刷,從而在末*葉片進汽邊造成水蝕[1];另外,葉片還受蒸汽不穩定的周期性擾動力作用產生振動。末*葉片在離心力、葉片振動引起的動應力以及水沖刷的復雜工況下,加上腐蝕性的工作環境,末*葉片的主要失效方式為水蝕、應力腐蝕、疲勞和腐蝕疲勞等[2]。為了防水蝕,常用的工藝措施之*是在葉片進汽邊進行局部高頻淬火強化。然而,高頻淬火雖然能顯著提高葉片的水蝕抗力,但局部表面淬火區硬度高,淬火區與未淬火區之間不可避免地存在過渡區,由于過渡區組織的不均勻以及殘余應力狀態的變化,可能使該區成為葉片的薄弱部位,導致葉片整體性能惡化,從而影響汽輪機的可靠運行[3]。
拋噴丸能夠改變工件和試樣的殘余應力狀態,可以改善過渡區的殘余應力分布,在表層引入有益的殘余壓應力,提高汽輪機葉片的疲勞性能[4]。為了掌握拋噴丸對汽輪機葉片殘余應力分布的影響規律,本文研究了拋噴丸前后末*909mm葉片和40in葉片的殘余應力分布。葉片材料為1Cr12Ni3Mo2VN馬氏體不銹鋼,拋噴丸強度0.5A(mm)。

1、測試方法：
圖1為909mm葉片和40in葉片殘余應力測試點分布示意圖。殘余內應力測試在RIGAKUDANKI公司生產的MSF-2M型X射線應力分析儀上進行。
測試條件為:衍射譜線:Co靶Kα1輻射;衍射晶面:(310);管電壓:30kV;管電流:10mA;出光口采用平行光束技術;定點計數;步進掃描。采用PSF常規法中的固定ψ0法測量，預設ψ0為0°、15°、30°、45°,半高寬法定峰,sin²法計算應力。
殘余應力σr由下式求得[5]:σr=KM(1)
式中,K為X射線應力常數,K=-197MPa;M為(2θ)/(sin2ψ),即2θ-sin2ψ直線的斜率,系實驗確定值。儀器測量誤差±20MPa。葉片殘余應力測試照片如圖2所示。每只葉片的各點分別測試了沿葉片長度方向(縱向)和垂直于長度方向(縱向）兩個方向的殘余應力。

圖1葉片的形狀尺寸及殘余應力測試點分布圖

圖2汽輪機葉片殘余應力測試照片

2、測試結果與分析：
拋噴丸前后葉片殘余內應力測試結果如圖3和圖4所示。比較圖3和圖4數據可以看出,拋噴丸前,909mm葉片無論是橫向還是縱向,其殘余應力狀態均為壓應力,除個別點外,縱向壓應力大于橫向,較大縱向殘余應力為-469.4MPa,較小縱向應力為-150.8MPa;而相應的橫向應力分別為-356.5MPa和-98.4MPa;40in葉片,除個別點外,殘余應力表現為拉應力,較大縱向拉應力達450.4MPa,較大橫向拉應力為432.2MPa,而且不同測試點殘余應力值差別較大。兩只葉片殘余應力狀態的不同,可能是由于機加工不同造成的。與拋噴丸前各點的殘余內應力相比,經過拋噴丸的兩只葉片的殘余應力狀態都發生了有益的變化。
對于909mm葉片,幾乎所有測試點的殘余壓應力值均在-500MPa以上,較大殘余壓應力達-700MPa,橫向殘余應力提高幅度在15%～533%(見圖3),大部分點在100%以上。與拋噴丸前相比,縱向與橫向的殘余應力差值變小,殘余應力分布更加均勻。而對于40in葉片,絕大多數點經拋噴丸后由拉應力轉變為壓應力,較大殘余壓應力達-684.8MPa,應力變化幅度較高可達498%(見圖4);但個別點仍保留殘余拉應力狀態,如15點和9點縱向應力;909mm葉片6點和40in葉片8點橫向壓應力拋噴丸后反而出現下降,可能是由于拋噴丸不均勻造成的。
測試過程中,當出現誤差較大的情況時,改變ψ0的預設值重新測量。909mm葉片2點橫向應力、6點縱向應力以及40in葉片12點橫向應力拋噴丸前后均經多次測量未能測出。觀察試樣表面狀況及測試點的位置,發現909mm葉片2點表面粗糙,從而影響了殘余應力測量的精度;而40in葉片12點位于焊接拉筋區,該區位置曲率較大,表面呈加工形成的波浪狀,從而影響了測量的精度。試樣表面不平整(40in葉片)和氧化腐蝕嚴重(909mm葉片)均會引起試樣表面粗糙度的增加,從而導致各點測量精度的下降;除此之外,葉片不規則的外形使得測試點衍射區域(即光斑)擴大以及某些測試點的表面曲率過大、葉片材料內部的織構對X射線衍射分析結果也會產生影響[5]。

圖3909mm葉片表面的殘余應力

圖440in葉片表面的殘余應力

3、結論：
(1)拋噴丸前,909mm葉片的橫向和縱向殘余應力均為壓應力,縱向應力大于橫向應力;對于40in葉片,大多數測點處于殘余拉應力狀態,不同測點的殘余應力值差別較大,少數測點為殘余壓應力。
(2)與拋噴丸前各點的殘余內應力相比,經過拋噴丸的兩只葉片無論是橫向還是縱向均在葉片表面形成了較大的殘余壓應力,殘余應力較高提高倍數達6倍多;各測點之間殘余應力差值減小,分布趨于均勻。
(3)拋噴丸能優化汽輪機葉片表面的殘余應力狀態,引入有益的殘余壓應力,為提高其疲勞性能提供保障。本文由 吊鉤式拋丸機 生產廠家整理