转子喷水淬火过程应力分析

二、600MW转子喷水淬火过程应力分析

发电机转子和汽轮机低压转子锻件对性能均有较高的要求。为满足要求，锻件在调质淬火时必须采用激冷、深冷工艺，冷却过程将不可避免地产生相当大的应力。尽管近年来通过工艺上的一系列改进、精炼、吹氩、除气、重熔、强压等，锻件的内在质量已有显著提高，完全能够承受淬火过程的应力。但是，为提高钢锭利用率，降低成本，常将带缺陷的钢锭上部锻入锻件吊卡头部分。虽然这一部分在热处理后切去，并不影响成品锻件的质量，却给热处理带来麻烦，如何确保热处理后的性能要求，而又不致引起开裂，就成为当前需要解决的问题。

开裂是由应力引起的。要避免开裂，选择既保证性能要求而又不致开裂的热处理参数，必须熟悉转子在热处理全过程中的应力变化特点以及各种热处理工艺参数对应力的影响。

转子是带有中间法兰和轴端法兰的阶梯轴锻件。在分析这种复杂形状锻件冷却过程的应力场之前，先分析一下圆柱体淬火冷却过程的应力场。这是因为从形状上看，圆柱体是构成转子锻件的基本要素，而它的形状简单，应力场的变化特点明显，在了解圆柱体应力场的基础上，分析转子的应力场将会容易得多。

600MW低压转子锻件淬火时，轴身、轴颈、中间法兰、小轴颈以及轴端法兰的直径分别为1768mm、650mm、1080mm、510mm、750mm，这里就着重分析这五种直径的圆柱体在喷水淬火冷却过程中的应力场变化。

1．冷却过程的应力场变化

冷却过程中，截面上每一部位的温度变化受热传导的影响，总是经历一个由慢到快而又慢的过程，形成应力波，温度变化最大时就是波峰。冷却过程中，随着温度变化最大位置由表面向内部的推移，应力波峰也向内推进。同样，组织转变时，相变增量多，体积膨胀大，形成压应力也大，而相变增量少，体积膨胀小，则为拉应力或使压应力减少，截面上每一点的转变过程，从温度降至转变点开始，也是由慢到快而又慢，也形成应力波，在转变最快时形成波峰。对于所讨论的26Cr2Ni4MoV转子钢，冷却过程中只发生马氏体及贝氏体转变，转变总是由表面开始到中心结束，这样，相变形成的应力波也由表面向内推移。冷却过程中，由表面向内推移的热应力波和相变应力波叠加时使波幅增大，干涉时使波幅减小，应力叠加在一起所形成的波幅还受屈服准则的制约，保持等效应力小于材料的屈服强度。当等效应力等于材料的屈服强度时，即发生塑性变形，而沿截面的不均匀塑性变形将促使冷却后的残余应力增大，相对伸长量多，形成的压应力大，相对压缩量多，形成的拉应力大。

图5－25和图5－26为510mm及1768mm两种直径圆柱体横截面及纵截面上距冷却表面不同距离处冷却过程的切向应力变化(圆柱体长度为各自直径的4倍)。

图5－25　喷水过程截面径向不同位置应力(实线)及组织转变(虚线)的变化

表面换热系数［W/(m·℃)］:圆周表面取3000，端面取1500

图5－26　喷水过程沿中心线距端面不同位置应力(实线)及组织转变(虚线)的变化

表面换热系数［W/(m²·℃)］:圆周表面取3000，端面取1500

从图中可以看到:

①两种直径冷却时，在纵截面和横截面上应力波均由表面向内推进;

②直径为510mm的横截面上，距表面r/5(图5－25(a)中51mm线)处转变还未结束，r/2处(图5－25(a)中127mm线)处转变已经开始。同样，距中心r/5(图5－25(a)中204mm线)和中心处几乎同时转变，沿截面不同位置相变应力波的叠加，使相变应力得到增强，冷却后最大拉应力位置由中心移向r/2。

③直径为1768mm的横截面上，距表面近r/5处(图5－25(b)中247mm线)处转变已近结束。r/2(图5－25(b)中425mm线)处转变才开始，和直径为510mm相比，相变叠加作用较弱，冷却后最大拉应力位置在截面中心(图5－25(b)中884mm线)。

④纵截面上也有相同的现象。直径为510mm相变作用叠加明显，而直径为1768mm相变叠加作用较弱，两种截面上在一定深度处均出现应力峰值，这是端面冷却的效果。

⑤整个截面转变结束后心部为拉应力，表层为压应力，具有以热应力为主的特征。

⑥转变结束后继续冷却，随中心温度继续降低，心部拉应力持续增大。

2．终冷时的应力场

冷却过程应力随温度呈波浪起伏变化，最大拉应力一般出现在组织转变之前的奥氏体状态。450～200℃间的贝氏体、马氏体转变使应力降低，继续冷却，内层应力回升，但最后的终态应力较前略低。

从淬火安全来考虑，组织转变后，钢的断裂韧性急剧降低，这应引起高度重视。因此，这里着重分析淬火冷却终了时刻的应力场。图5－27(a)是直径为510mm、喷水冷却2.5h，图5－27(b)是直径为1768mm圆柱体，喷水冷却14h后全截面的应力分布，可以看到不同尺寸应力场的基本特点。

图5－27　喷水冷却后工件中的应力分布

转子材质为26Cr2Ni4MoV钢，奥氏体极为稳定，具有良好的淬透性。直径从510mm到1768mm淬火后均可得到马氏体+贝氏体，只是含量的比例不同。因而，两种直径圆柱体淬火后的应力场特点相似:

轴向应力——柱面外层为压，内部为位;

径向应力——柱面表面为0，内部为拉，端面近表层为压;

切向应力——柱面及端面表层均为压，内部为拉;

剪切应力——距端面1～1.5倍半径距离内有剪应力，其余为0。

轴线上距端面一定距离处轴向、径向及切向拉应力均为最大，最大剪切应力也出现在这里。

两种直径应力场不同之处在于:

①截面上最大拉应力的位置随直径增大而内移，横截面上直径为510mm约在r/2处，直径为1768mm则接近中心;纵轴上直径为510mm约在距端面0.4r处，直径为1768mm则在0.7r处;

②最大拉应力值随尺寸增大而增大。

3．不同直径喷水淬火后的终态应力分布特征

为了能全面地认识圆柱体淬火应力分布的规律，对转子的五种尺寸直径圆柱体喷水淬火应力进行模拟计算。同时，还将计算尺寸由510mm向下延续到25mm。不同直径的切向应力分布示于图5－28，距离均以与半径的比值表示，以便于对比。

横截面上的应力分布，直径从1768mm到510mm，表面均为压应力，中心均为拉应力。不过，随直径减小，最大拉应力位置逐渐由中心向外推移，直径为510mm时，移至近r/2处，此刻，中心拉应力降低幅度大，而表面压应力只略有减小。直径小于200mm，中心即为压应力，最大拉应力位置继续向外推移，表面压应力即有明显减小。直径为25mm，最大拉应力位置已移至表面。

图5－28　不同直径圆柱体(L= 4D)喷水冷却后沿截面的应力分布

端面沿中心轴线向内的应力分布，随直径变化的特点与横截面有许多相似之处，随直径减小，最大拉应力位置逐渐向外推移，直径为1768mm时，在距离面0.7r处;直径为510mm时，移至近0.4r;直径为100mm，最大拉应力位置即移至表面。

从不同直径淬火应力分布特征的变化可以看到，直径小时，沿截面的温度梯度小，淬火应力以组织应力为主，表面为拉，中心为压;直径大时，温度梯度大，淬火应力以热应力为主，表面为压，中心为拉。对于600MW转子的尺寸范围，在现行的喷水淬火条件下，应力分布均具有热应力为主的特征。

4．不同直径的最大拉应力值

截面中心应力及最大应力值随直径尺寸的变化如图5－29所示。

图5－29　不同直径圆柱体喷水冷却后轴线上的应力

直径变化在510～1768mm范围内，应力随直径增大而增大，但增长率随直径增大有减小的趋势。从上面的分析中看到，在此直径范围内以热应力为主，而热应力决定于温度梯度，温度梯度随截面尺寸增大而增大，故应力随之增大，但温度梯度的增大有极限，最大不超过淬火温度与冷却介质温度之差，所以，最大应力的增长随截面增大而减慢。