蝸殼是水輪機(jī)重要的過流部件，它不僅承受電站運(yùn)行期間的水壓力，還承受廠房上部結(jié)構(gòu)傳遞的載荷。因此，必須要有足夠的強(qiáng)度和剛度才能確保電站的安全運(yùn)行。

某電站1-6號(hào)水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量650MW，蝸殼材料B610CF，板厚從鼻端到進(jìn)口段從36-75mm逐漸加厚，進(jìn)口直徑7.2m，*大設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力為2.8MPa。通過設(shè)計(jì)計(jì)算和優(yōu)化分析，將蝸殼設(shè)計(jì)為充水保壓型。為檢驗(yàn)蝸殼的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和焊縫的焊接質(zhì)量，按照設(shè)計(jì)要求，對(duì)蝸殼進(jìn)行了水壓試驗(yàn)。為了解蝸殼結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)過程中的實(shí)際受力情況，選取1臺(tái)6號(hào)蝸殼，在蝸殼進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試。

水壓試驗(yàn)應(yīng)力測試成果及分析

測試儀器選擇聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，儀器設(shè)置全軟件操作，多通道應(yīng)變值實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存，自動(dòng)生成報(bào)表。

電阻應(yīng)變片選擇

所采用的應(yīng)變片為兩向直角應(yīng)變片，電阻為119.5±0.1Ω，柵長*柵寬為3mm*3mm，靈敏度系數(shù)為2.08±1%。

應(yīng)變片粘貼技術(shù)

將需要貼片的金屬表面打磨平整，看到金屬光澤后，用0號(hào)紗布沿應(yīng)變片粘貼方向輕輕打磨成45°的交叉條紋，用脫脂棉球擦洗表面，直至脫脂棉球無污漬，表明粘貼表面符合要求。

根據(jù)受力方向在金屬表面劃線，一般采用粘貼絕緣膠布的方法，這樣既實(shí)現(xiàn)劃線的目的，還可以避免應(yīng)變片的連接金屬絲與金屬表面接觸。

在應(yīng)變片上涂一層薄薄膠水，按設(shè)定方向粘貼在金屬表面上，用拇指隔一層塑料薄膜，均勻地按壓應(yīng)變片，擠出多余的膠水。

將應(yīng)變片的連接金屬絲焊接在連接端子上，然后通過連接端子引出導(dǎo)線。測試其絕緣電阻達(dá)500MΩ以上后方可使用，否則應(yīng)查找原因重新粘貼。

采用靜態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)行測試，引出導(dǎo)線有20cm即可，導(dǎo)線越短，受外界的干擾越小。將引出導(dǎo)線連接到應(yīng)變儀上，用軟件進(jìn)行調(diào)試。

應(yīng)力測點(diǎn)布置

為了解電站蝸殼結(jié)構(gòu)在水壓試驗(yàn)過程中實(shí)際受力情況，選取1臺(tái)6號(hào)蝸殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試。根據(jù)蝸殼設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，選取2個(gè)斷面進(jìn)行應(yīng)力測試，均為結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果中的應(yīng)力相對(duì)較大的斷面，分別為第2節(jié)進(jìn)水管斷面（I-I斷面）和第1節(jié)蝸殼斷面（Ⅱ-Ⅱ斷面）。在每個(gè)斷面的頂部、腰部、過渡板上各布置1個(gè)測點(diǎn)，共計(jì)6個(gè)測試點(diǎn)，均布置在外壁上。I-I斷面測點(diǎn)號(hào)為1、2、3，Ⅱ-Ⅱ斷面測點(diǎn)號(hào)為4、5、6，其中1和4測點(diǎn)位于過渡板上，2、3、5、6測點(diǎn)位于蝸殼管節(jié)部位上。

每個(gè)測試點(diǎn)布置1個(gè)兩向直角應(yīng)變片，分別粘貼在管壁的環(huán)向受力和水流向受力方向上，用來測試應(yīng)力的變化情況。本次實(shí)驗(yàn)中，粘貼應(yīng)變片角度規(guī)定水流方向?yàn)?°，環(huán)向?yàn)?0°。

應(yīng)力測試過程

水壓試驗(yàn)前的所有準(zhǔn)備工作完成后，開始充水，當(dāng)蝸殼內(nèi)注滿水，并排除蝸殼內(nèi)的空氣且水壓力為0bar時(shí)，儀器調(diào)零，然后進(jìn)行升壓。升壓過程：10bar→14bar→18bar→23bar→28bar→32bar→37bar→42bar，降壓過程：42bar→37bar→32bar→28bar→23bar→18bar→14bar→10bar，每當(dāng)達(dá)到規(guī)定的壓力值時(shí)，保壓5min，當(dāng)達(dá)到*大壓力42bar時(shí)，保壓30min。在水壓達(dá)到每個(gè)規(guī)定的壓力值時(shí)，儀器進(jìn)行讀數(shù)，分析數(shù)值，并與計(jì)算值相比較，如應(yīng)力值出現(xiàn)異常變化，應(yīng)分析原因，采取相應(yīng)措施，以達(dá)到應(yīng)力測試的目的。

應(yīng)力測試成果及分析

根據(jù)各斷面測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力值和各測點(diǎn)的數(shù)據(jù)可得出以下結(jié)果：

1.當(dāng)水壓力從10bar→42bar→10bar進(jìn)行變化時(shí)，測點(diǎn)1*大主應(yīng)力從22MPa→133MPa→28MPa變化，測點(diǎn)2*大主應(yīng)力從55MPa→263MPa→58MPa變化，測點(diǎn)3*大主應(yīng)力從59MPa→270MPa→65MPa變化，測點(diǎn)4*大主應(yīng)力從21MPa→92MPa→17MPa變化，測點(diǎn)5*大主應(yīng)力從61MPa→269MPa→62MPa變化，測點(diǎn)6*大主應(yīng)力從50MPa→246MPa→53MPa變化。

以上說明，斷面各測點(diǎn)隨水壓力的增大而增大，應(yīng)力變化與水壓力變化呈線性關(guān)系。

2.水壓力達(dá)到42bar時(shí)，測點(diǎn)1*大主應(yīng)力為133MPa，最小主應(yīng)力為69MPa，測點(diǎn)2*大主應(yīng)力為263MPa，最小主應(yīng)力為125MPa，測點(diǎn)3*大主應(yīng)力為270MPa，最小主應(yīng)力為145MPa，測點(diǎn)4*大主應(yīng)力為92MPa，最小主應(yīng)力為60MPa，測點(diǎn)5*大主應(yīng)力為269MPa，最小主應(yīng)力為133MPa，測點(diǎn)6*大主應(yīng)力為246MPa，最小主應(yīng)力為133MPa。

以上說明：內(nèi)水壓增加時(shí)，管壁環(huán)向承受拉應(yīng)力，為*大主應(yīng)力方向，但水流向也承受拉應(yīng)力，其數(shù)值相對(duì)較小。當(dāng)水壓力達(dá)到42bar時(shí)，斷面各測點(diǎn)所受*大主應(yīng)力范圍為92-270MPa，*大應(yīng)力位于第2節(jié)進(jìn)水管斷面腰部測點(diǎn)（測點(diǎn)3），各測點(diǎn)*大應(yīng)力均在安全范圍以內(nèi)。

3.當(dāng)水壓力從10bar上升到42bar時(shí)，測點(diǎn)1應(yīng)力的變化量為+111MPa，測點(diǎn)2應(yīng)力的變化量為+208MPa，測點(diǎn)3應(yīng)力的變化量為+211MPa，測點(diǎn)4應(yīng)力的變化量為+71MPa，測點(diǎn)5應(yīng)力的變化量為+208MPa，測點(diǎn)6應(yīng)力的變化量為+196MPa。

當(dāng)水壓力從42bar降低到10bar時(shí)，測點(diǎn)1應(yīng)力的變化量為-105MPa，測點(diǎn)2應(yīng)力的變化量為-205MPa，測點(diǎn)3應(yīng)力的變化量為-205MPa，測點(diǎn)4應(yīng)力的變化量為-75MPa，測點(diǎn)5應(yīng)力的變化量為-207MPa，測點(diǎn)6應(yīng)力的變化量為-193MPa。

以上說明：在斷面上的同一測點(diǎn)，水壓從10bar→42bar→10bar，應(yīng)力變化量的*對(duì)值基本相等，說明在水壓試驗(yàn)過程中，應(yīng)力數(shù)值的重現(xiàn)性較好，管壁所受應(yīng)力無異常變化。

應(yīng)力測試成果與有限元計(jì)算成果比較分析

應(yīng)力測試結(jié)果中*大主應(yīng)力方向?yàn)榄h(huán)向，因此對(duì)有限元計(jì)算的環(huán)向應(yīng)力與應(yīng)力測試結(jié)果中的*大主應(yīng)力進(jìn)行比較具有實(shí)際意義。這里僅以水壓力為42bar為例，對(duì)應(yīng)力測試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

假設(shè)以應(yīng)力測試結(jié)果為基準(zhǔn)，比較結(jié)果表明：當(dāng)內(nèi)水壓為42bar時(shí)，實(shí)測值與計(jì)算值相對(duì)誤差范圍為5.7%-6.8%?？紤]到實(shí)測過程中的測量誤差，有限元計(jì)算模型中單元?jiǎng)澐值亩嗌?，網(wǎng)格的細(xì)密程度以及約束的不同，都是導(dǎo)致實(shí)測值與計(jì)算值產(chǎn)生差別的因素，因此，應(yīng)力測試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

結(jié)語

1.在升壓過程中，蝸殼管壁膨脹，各測點(diǎn)均承受拉應(yīng)力。

2.在水壓試驗(yàn)過程中，各測點(diǎn)隨水壓力的增大而增大，隨水壓力的降低而減小，所受應(yīng)力與水壓力基本呈線性關(guān)系。

3.當(dāng)內(nèi)水壓增加時(shí)，蝸殼管壁環(huán)向承受拉應(yīng)力，為*大主應(yīng)力方向，但水流向也承受拉應(yīng)力，其數(shù)值相對(duì)較小。

4.在水壓試驗(yàn)過程中，應(yīng)力數(shù)值的重現(xiàn)性較好，管壁所受應(yīng)力無異常變化。

5.實(shí)測應(yīng)力結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果基本吻合。

6.當(dāng)水壓力為42bar時(shí)，蝸殼所受應(yīng)力在安全范圍以內(nèi)。