水轮机蜗壳水压试验时结构应力测试研究

蜗壳是水轮机重要的过流部件，它不仅承受电站运行期间的水压力，还承受厂房上部结构传递的载荷。因此，必须要有足够的强度和刚度才能确保电站的安全运行。

某电站1-6号水轮发电机单机容量650MW，蜗壳材料B610CF，板厚从鼻端到进口段从36-75mm逐渐加厚，进口直径7.2m，最大设计内水压力为2.8MPa。通过设计计算和优化分析，将蜗壳设计为充水保压型。为检验蜗壳的整体结构强度和焊缝的焊接质量，按照设计要求，对蜗壳进行了水压试验。为了解蜗壳结构在水压试验过程中的实际受力情况，选取1台6号蜗壳，在蜗壳进行水压试验时对其进行结构应力测试。

水压试验应力测试成果及分析

测试仪器选择聚航科技生产的JHYC静态应变仪，仪器设置全软件操作，多通道应变值实时显示，数据实时保存，自动生成报表。

电阻应变片选择

所采用的应变片为两向直角应变片，电阻为119.5±0.1Ω，栅长*栅宽为3mm*3mm，灵敏度系数为2.08±1%。

应变片粘贴技术

将需要贴片的金属表面打磨平整，看到金属光泽后，用0号纱布沿应变片粘贴方向轻轻打磨成45°的交叉条纹，用脱脂棉球擦洗表面，直至脱脂棉球无污渍，表明粘贴表面符合要求。

根据受力方向在金属表面划线，一般采用粘贴绝缘胶布的方法，这样既实现划线的目的，还可以避免应变片的连接金属丝与金属表面接触。

在应变片上涂一层薄薄胶水，按设定方向粘贴在金属表面上，用拇指隔一层塑料薄膜，均匀地按压应变片，挤出多余的胶水。

将应变片的连接金属丝焊接在连接端子上，然后通过连接端子引出导线。测试其绝缘电阻达500MΩ以上后方可使用，否则应查找原因重新粘贴。

采用静态应变仪进行测试，引出导线有20cm即可，导线越短，受外界的干扰越小。将引出导线连接到应变仪上，用软件进行调试。

应力测点布置

为了解电站蜗壳结构在水压试验过程中实际受力情况，选取1台6号蜗壳进行结构应力测试。根据蜗壳设计计算结果，选取2个断面进行应力测试，均为结构有限元分析结果中的应力相对较大的断面，分别为第2节进水管断面（I-I断面）和第1节蜗壳断面（Ⅱ-Ⅱ断面）。在每个断面的顶部、腰部、过渡板上各布置1个测点，共计6个测试点，均布置在外壁上。I-I断面测点号为1、2、3，Ⅱ-Ⅱ断面测点号为4、5、6，其中1和4测点位于过渡板上，2、3、5、6测点位于蜗壳管节部位上。

每个测试点布置1个两向直角应变片，分别粘贴在管壁的环向受力和水流向受力方向上，用来测试应力的变化情况。本次实验中，粘贴应变片角度规定水流方向为0°，环向为90°。

应力测试过程

水压试验前的所有准备工作完成后，开始充水，当蜗壳内注满水，并排除蜗壳内的空气且水压力为0bar时，仪器调零，然后进行升压。升压过程：10bar→14bar→18bar→23bar→28bar→32bar→37bar→42bar，降压过程：42bar→37bar→32bar→28bar→23bar→18bar→14bar→10bar，每当达到规定的压力值时，保压5min，当达到最大压力42bar时，保压30min。在水压达到每个规定的压力值时，仪器进行读数，分析数值，并与计算值相比较，如应力值出现异常变化，应分析原因，采取相应措施，以达到应力测试的目的。

应力测试成果及分析

根据各断面测点实测应力值和各测点的数据可得出以下结果：

1.当水压力从10bar→42bar→10bar进行变化时，测点1最大主应力从22MPa→133MPa→28MPa变化，测点2最大主应力从55MPa→263MPa→58MPa变化，测点3最大主应力从59MPa→270MPa→65MPa变化，测点4最大主应力从21MPa→92MPa→17MPa变化，测点5最大主应力从61MPa→269MPa→62MPa变化，测点6最大主应力从50MPa→246MPa→53MPa变化。

以上说明，断面各测点随水压力的增大而增大，应力变化与水压力变化呈线性关系。

2.水压力达到42bar时，测点1最大主应力为133MPa，最小主应力为69MPa，测点2最大主应力为263MPa，最小主应力为125MPa，测点3最大主应力为270MPa，最小主应力为145MPa，测点4最大主应力为92MPa，最小主应力为60MPa，测点5最大主应力为269MPa，最小主应力为133MPa，测点6最大主应力为246MPa，最小主应力为133MPa。

以上说明：内水压增加时，管壁环向承受拉应力，为最大主应力方向，但水流向也承受拉应力，其数值相对较小。当水压力达到42bar时，断面各测点所受最大主应力范围为92-270MPa，最大应力位于第2节进水管断面腰部测点（测点3），各测点最大应力均在安全范围以内。

3.当水压力从10bar上升到42bar时，测点1应力的变化量为+111MPa，测点2应力的变化量为+208MPa，测点3应力的变化量为+211MPa，测点4应力的变化量为+71MPa，测点5应力的变化量为+208MPa，测点6应力的变化量为+196MPa。

当水压力从42bar降低到10bar时，测点1应力的变化量为-105MPa，测点2应力的变化量为-205MPa，测点3应力的变化量为-205MPa，测点4应力的变化量为-75MPa，测点5应力的变化量为-207MPa，测点6应力的变化量为-193MPa。

以上说明：在断面上的同一测点，水压从10bar→42bar→10bar，应力变化量的绝对值基本相等，说明在水压试验过程中，应力数值的重现性较好，管壁所受应力无异常变化。

应力测试成果与有限元计算成果比较分析

应力测试结果中最大主应力方向为环向，因此对有限元计算的环向应力与应力测试结果中的最大主应力进行比较具有实际意义。这里仅以水压力为42bar为例，对应力测试结果与有限元计算结果进行了比较。

假设以应力测试结果为基准，比较结果表明：当内水压为42bar时，实测值与计算值相对误差范围为5.7%-6.8%。考虑到实测过程中的测量误差，有限元计算模型中单元划分的多少，网格的细密程度以及约束的不同，都是导致实测值与计算值产生差别的因素，因此，应力测试结果与有限元计算结果基本吻合。

结语

1.在升压过程中，蜗壳管壁膨胀，各测点均承受拉应力。

2.在水压试验过程中，各测点随水压力的增大而增大，随水压力的降低而减小，所受应力与水压力基本呈线性关系。

3.当内水压增加时，蜗壳管壁环向承受拉应力，为最大主应力方向，但水流向也承受拉应力，其数值相对较小。

4.在水压试验过程中，应力数值的重现性较好，管壁所受应力无异常变化。

5.实测应力结果与有限元计算结果基本吻合。

6.当水压力为42bar时，蜗壳所受应力在安全范围以内。