鄭必剛

云南省國電小龍?zhí)峨姀S ，云南 開遠 661600

0 引言

南門峽電站位于紅河州金平縣金水河下游段，總裝機容量2×1.2萬千瓦，為引水式水電站，設(shè)計水頭200m，一管二機布置，壓力鋼管出口處的鋼岔管為丫形岔管，岔管采用16MnR鋼板卷拼焊接成型，焊條采用E5015。岔管壁厚34mm，月牙肋厚度60mm，材質(zhì)為16MnR，分岔角120，岔管總重10t，主管直徑1.8m，支管直徑1m。

為了滿足工程設(shè)計要求和運行的安全性，岔管應(yīng)進行消除應(yīng)力處理，通過對消應(yīng)力的各種方案分析、論證，決定采用振動時效消應(yīng)方案。

1 項目內(nèi)容

岔管振動時效消應(yīng)力包含：1）對岔管進行振動時效處理，依據(jù)標準對振動消應(yīng)效果做出定性評價；2）振動時效前后分別進行殘余應(yīng)力測試，通過對振動時效前后殘余應(yīng)力狀況的分析對比，對岔管振動消應(yīng)效果進行定量評價；3）時效前后分別進行無損探傷檢查，判斷振動消應(yīng)力后焊縫及母材有無缺陷或缺陷擴展，并在時效前后分別對岔管尺寸進行檢測，判斷振動時效后岔管是否發(fā)生變形。

2 振動時效消除殘余應(yīng)力的原理

振動時效是指夾持在工件上的激振器產(chǎn)生周期性激振力，在其作用下，使構(gòu)件達到共振狀態(tài)，松弛構(gòu)件的殘余應(yīng)力，保持工件尺寸穩(wěn)定的方法。它是熱時效的補充和發(fā)展，可在很大范圍內(nèi)代替熱時效。振動時效消應(yīng)力是對構(gòu)件施加交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與構(gòu)件上某些點所存在的殘余應(yīng)力之和達到材料的屈服極限時，這些點將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某些點產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達到材料的屈服極限，也同樣會產(chǎn)生微觀的塑性變形，況且這些塑性變形往往是首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大的點上。因此，使這些點受約束的變形得以釋放從而降低了殘余應(yīng)力。這就是采用振動時效消除殘余應(yīng)力的機理。

振動時效由于設(shè)備簡單，易于搬動，因此可以在任何場地進行現(xiàn)場處理，它不受構(gòu)件大小和材料的限制，從幾十千克到上百噸的構(gòu)件都可使用振動時效技術(shù)。特別是對于一些大型構(gòu)件無法使用熱時效處理時，振動時效就具有更加突出的優(yōu)越性和較強的實用性。

工件振動時間通常僅需半小時，最長不超過50min即可轉(zhuǎn)入下道工序，因此，相對于熱時效而言，振動時效可節(jié)省時間、能源和費用，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。同時，振動時效只消耗少量的電能，無污染，具有高效節(jié)能、設(shè)備投資少、操作簡單、不受生產(chǎn)場地限制等顯著特點。

3 岔管振動時效實施方案

金平南門峽電站岔管的最大外形尺寸為2m×4m。所用鋼材σa=550MPa，岔管的制作工作在開遠電力修造廠完成。根據(jù)振動時效的要求,受振工件應(yīng)放置在彈性支撐上，并且支撐點處于工件受迫振動的節(jié)線處。具體方案是在6m×6m的工作平臺上用型鋼將支撐接起來（平臺重約30t），離開工作平臺高度為100mm，將所有的支撐物與岔管之間用厚度50mm的橡膠墊層隔開，保證岔管與原支撐脫離剛性連接，并在振動時效過程中不再對支撐位置進行調(diào)整。同時，為了解決岔管在振動時效時可能發(fā)生的位移，距岔管管口位置10mm采用擋板限位。

4 方案的實施步驟

1）確定激振點、拾振點位置。根據(jù)機械振動理論，分析判斷構(gòu)件可能的共振頻率及構(gòu)件在激振頻率范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的振型，在此基礎(chǔ)上，選擇激振設(shè)備的頻率范圍。確定支撐點、激振點、拾振點等位置。支撐點選擇在波節(jié)處(工件在自由振動時振幅最小處)或附近，激振點選擇在被振工件的波峰處(工件在自由振動時振幅最大處)或附近，拾振器應(yīng)固定在遠離激振器且能反映主振頻率振型最大振幅處或附近，其方向應(yīng)與振動方向一致。

經(jīng)計算分析，岔管的諧振頻率估計在1500～3000r/min左右，振型為彎扭振型，節(jié)點在岔管橫截面時鐘位置5點、7點附近，波峰在岔管頂部，根據(jù)以上分析，選用1000～4000r/min的激振設(shè)備應(yīng)能激起工件的諧振響應(yīng)。激振點選擇在岔管頂面加勁環(huán)上以便于裝卡，同時又易于引起諧振響應(yīng)。初步確定在岔管最大直徑處周圍的二個加勁環(huán)上各設(shè)一個激振點，并根據(jù)時效效果對激振點有所增減或變更位置。拾振器放在岔管頂部距激振點約200～500mm處。

2）安裝激振器及拾振器：將激振器底座與鋼岔管頂部加勁環(huán)剛性連接，并用專用卡具卡緊。接觸面要良好，然后將偏心調(diào)到1檔，連接好激振器與控制器之間的連線。拾振器放在岔管頂部距激振點約200～500mm并有明顯振感的地方，連接好加速度信號線。

3）試振：根據(jù)估計的諧振頻率。將最高轉(zhuǎn)速設(shè)為3000r/rain，偏心檔暫選定在1檔，時效時間設(shè)為2～3min，開始試振，激振器由1500r/min開始掃頻，看一階、二階、三階諧振頻率及位移幅各為多少，設(shè)備自動選擇電流和加速度值最大時相對應(yīng)的諧振頻率為主振頻率。在以主振頻率激振時，工件會發(fā)出較大的嗡嗡聲，此時往岔管上撒一些沙子，沙子會劇烈的跳動，沙子聚攏處為波節(jié)，反之為波峰。也可通過變化拾振器的位置來檢測波峰、波節(jié)位置，根據(jù)試振情況對激振點和拾振點的位置加以調(diào)整，使之更為合理。

4）正式振動。在試振的基礎(chǔ)上確定正式振動時的時效參數(shù)，如主振頻率、時效階數(shù)、最高轉(zhuǎn)速、時效時間、偏心擋位等。主振頻率可從試振時的掃頻曲線得知；時效階數(shù)一般選一階和二階，如果二階諧振時的振幅較小，則只選一階諧振；最高轉(zhuǎn)速應(yīng)高于諧振頻率100～300r/min；時效時間不宜過長，因為，在以主振頻率開始振動后的3～5min內(nèi)，時間一振幅曲線變化明顯，之后則逐漸變平(變化很小)。一般情況下，時問一振幅曲線變平后的5～10min內(nèi)應(yīng)結(jié)束振動，因此每次振動時間以不超過15min為宜；在第一次正式振動時，偏心擋位可選取較低的擋位(1～2擋)，以較小的動應(yīng)力來消除高值殘余應(yīng)力，然后逐級調(diào)高擋位。

5）振動參數(shù)記錄：在正式振動時，應(yīng)記錄有關(guān)參數(shù)并打印出測試曲線及數(shù)據(jù)。

5 振動時效效果評定

5.1 定性評定

依據(jù)標準，采用參數(shù)曲線觀測法進行定性評定。

1）南門峽電站岔管振動時效支撐點、激振點位置布置如圖所示。說明：圖1中虛框及數(shù)字表示支撐點位置及其序號，圖中實心黑點表示激振器位置。

圖1

圖2 —■振前峰值應(yīng)力 —振后峰值應(yīng)力

2）南門峽五級站岔管振動時效結(jié)果綜合評定：岔管各激振點振動時效前后的掃頻曲線發(fā)生了變化，加速度轉(zhuǎn)速曲線(a-n曲線)左移，振幅升高，說明固有頻率下降，阻尼減??；加速度時間曲線(a-t曲線)也發(fā)生了變化，加速度幅值升高或降低后趨于平穩(wěn)；根據(jù)JB／T59261998《振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》的第4.1.2款和JB／T10375 2002《焊接構(gòu)件振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求》的第6.1款之規(guī)定可判定岔管的振動時效已取得效果。

5.2 定量評定

采用振動時效前后殘余應(yīng)力實測對比法對振動時效效果進行定量評定。對南門峽電站岔管焊縫各測區(qū)峰值殘余應(yīng)力及振動消應(yīng)力效果對比曲線見圖2。

岔管焊接殘余應(yīng)力消除效果評定：

振前測點平均應(yīng)力543MPa，振后測點平均應(yīng)力335MPa。經(jīng)過振動時效后，應(yīng)力平均值“降低率為38.3%。振前最大應(yīng)力605MPa，振后最大應(yīng)力360MPa，振前最小應(yīng)力440MPa，振后最小應(yīng)力250MPa。南門峽電站岔管焊接殘余應(yīng)力消除效果評定結(jié)論：整體消應(yīng)效果滿足相關(guān)技術(shù)工藝參數(shù)之規(guī)定。

6 無損檢測復(fù)探結(jié)果

岔管焊接殘余應(yīng)力振動時效消應(yīng)力后，對岔管焊縫進行了超聲波復(fù)驗，未發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)生。

7 岔管口尺寸檢測結(jié)果

主管口尺寸 次管口1尺寸 次管口2尺寸震前尺寸 1805 1796 1802 1005 1003 998 998 1001 996震后尺寸 1804 1794 1802 1005 1003 997 998 1001 995主管口尺寸 次管口1尺寸4

通過對震動前、后管口的尺寸復(fù)測，岔管尺寸基本不變。

8 結(jié)論

通過對南門峽電站岔管振動時效前后的殘余應(yīng)力狀況、焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量無損檢測、幾何形態(tài)的各單項測試做出的定性和定量效果評價達到上述規(guī)范的要求，岔管振動時效工作取得了成功。