吳文明

摘 要:利用振動時效技術(shù)消除熱風(fēng)爐穹頂殼體焊縫焊接殘余應(yīng)力,選用了最大激振力為50KN的LCDVSR-07型振動消除應(yīng)力系統(tǒng),激振點選在殼體頂部人孔法蘭上,取得了明顯的應(yīng)力消除效果和較好的經(jīng)濟效益并縮短了工期。

關(guān)鍵詞:振動時效熱風(fēng)爐殼體焊接殘余應(yīng)力

中圖分類號:TG441 文獻標識碼:A 文章編號:1674-098X(2012)07(c)-0101-02

寧波鋼鐵公司1#2500m3高爐系統(tǒng)熱風(fēng)爐高度為49.5m,直徑為10～11.34m,重量404t,材質(zhì)分兩種,直筒段殼體為Q235B,穹頂(即高溫帶)材質(zhì)為Q345B,穹頂殼體由多塊殼體瓣分片組裝焊接而成,穹頂殼體鋼板最大厚度為50mm(見圖一)。由于體積大,鋼板厚,穹頂殼體焊縫殘余應(yīng)力值高,最大實測值近400MPa。熱風(fēng)爐投用后要在酸性氣體環(huán)境下承受高溫和交變高壓應(yīng)力作用,工況惡劣,在此情況下焊縫易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。因此設(shè)計要求對高溫帶殼體進行消除應(yīng)力處理。

消除焊接殘余應(yīng)力長期以來一直采用電加熱方式,但電加熱方式存在工期長,短期電能消耗高,受氣候條件影響大,在工期上難以保證,及個別電加熱毯易損壞,質(zhì)量不易保證等缺點。國內(nèi)大量的工程實踐已證明[1],振動時效具有下列顯著的技術(shù)作用:①降低和均化應(yīng)力;②防止和減少應(yīng)力腐蝕;③防止和減少結(jié)構(gòu)變形;④可提高焊縫的抗疲勞特性,延緩開裂,提高使用壽命。在寧鋼1#高爐系統(tǒng)熱風(fēng)爐施工過程中,根據(jù)工程進展實際,參考國內(nèi)振動時效設(shè)備應(yīng)用情況,決定采用振動時效消除殘余應(yīng)力。（如圖1)

1 設(shè)備工藝參數(shù)選擇[2]

1.1 設(shè)備

高溫帶殼體位于38.6m以上的高空,重量達110t,受吊裝能力所限,無法在地面焊接并消除應(yīng)力處理完成后整體吊裝,必須在分瓣吊裝到位并與直筒段焊接為一整體后,對整個殼體進行消除應(yīng)力處理。熱風(fēng)爐殼體總質(zhì)量量達404t,確定使用最大激振力為50KN的LCDVSR-07型振動消除應(yīng)力系統(tǒng)設(shè)備,選擇多點激振和多頻率工藝來處理。

通過試振確定如下的工藝參數(shù):

(1)由試振得出殼體的共振頻率有4個,根據(jù)其振動形式優(yōu)化選擇最佳頻率組,確定兩個(4659Hz和5915Hz)處理頻率。(2)處理時間為每個頻率處理25～35min。

1.2 激振點、拾振點的位置

激振點應(yīng)選在剛性較大的厚板處,以便能帶動殼體產(chǎn)生共振。由于殼體質(zhì)量和形體較大,為使殼體各部分都能產(chǎn)生共振,焊接殘余應(yīng)力均勻降低,激振點選擇在殼體頂部正中的Φ1800mm人孔法蘭,法蘭位于殼體對稱中心點,與殼體焊接連接,可使殼體各部分都能產(chǎn)生振幅基本一致的共振,焊接殘余應(yīng)力能均勻降低。考慮到結(jié)構(gòu)軸對稱的特點,選擇2個激振點分別位于法蘭邊沿直徑兩端點。

拾振點選在遠離激振器且在振幅較大處,熱風(fēng)爐穹頂時效振動按懸臂時效方式考慮,選在穹頂下沿,與殼體焊接連接。激振點、拾振點位置見圖2。

1.3 支撐點對振動波形影響

一般情況下,穹頂通過橡膠墊和枕木支撐在支架上進行振動時效作業(yè),由于熱風(fēng)爐穹頂位于38.6～50m的高空,為防止振動過程出現(xiàn)跌墜,將熱風(fēng)爐直筒段與穹頂焊接完成形成整體,對穹頂按懸臂時效方式進行處理。熱風(fēng)爐殼體底部通過地腳螺栓與混凝土承臺連接,通過試振,得出熱風(fēng)爐殼體振動波形,底部螺栓連接對38m高度以上的高溫帶殼體的振幅影響不影響消除應(yīng)力效果,故對底部固定螺栓只做一般性緊固,以防止振動過程中熱風(fēng)爐發(fā)生水平位移即可。

1.4 效果評定檢測方法及測點布置

效果評定采用殘余應(yīng)力檢測法,在時效前后采用盲孔法進行殘余應(yīng)力測試,通過數(shù)據(jù)對比評定效果。應(yīng)力測點均勻布置(見圖2),涵蓋穹頂各帶立焊縫和橫(環(huán))焊縫。共布置18個應(yīng)力測點,其中9個測點在焊縫中心,9個測點在焊縫根部。

2 振動時效實施

按照試振確定的處理頻率,對熱風(fēng)爐進行主振,觀測振中時效曲線(a—t曲線)。振動時間控制,根據(jù)時效曲線(a—t曲線) 出現(xiàn)上升后變平或上升后下降然后變平情況后,再振動3min,結(jié)束時效。實際振動時間,在激振點1,振動37min,在激振點2,振動時間32min。

3 數(shù)據(jù)檢測與分析

3.1 穹頂振動處理前、后的殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)如表一,并計算得出單點及總的應(yīng)力水平的振動處理前后的變化率(如表1）

3.2 殘余應(yīng)力測試數(shù)據(jù)的分析

從表一可以看出穹頂?shù)恼駝犹幚碓谙龖?yīng)力上有明顯效果:

(1)總的應(yīng)力水平(即平均應(yīng)力)從振前的333.2MPa下降至229.6MPa,下降率為31.1%,超過國家機械行業(yè)標準JB/T5926-2005中規(guī)定的指標(應(yīng)大于30%)。[3](2)各點的最大應(yīng)力普遍下降。(3)高應(yīng)力下降的比例大,說明應(yīng)力均化程度好。

上述分析,說明穹頂振動時效處理的工藝參數(shù)選擇合理,達到預(yù)期目的。

4 效益

4.1 經(jīng)濟效益

如果采用電加熱方式局部熱處理,造價(含人工、設(shè)備、工具、工裝、能耗、腳手架等費用)是35萬元。振動時效處理費用共計15萬元,降低造價20萬元。

4.2 工期效益

振動時效處理費用三座爐共計8d,如果采用電加熱方式局部熱處理,三座爐處理完成需工期在22d,節(jié)省工期兩周。

4.3 寧鋼1#高爐熱風(fēng)爐自2007年4月投入使用,至今已安全運行5年,熱風(fēng)爐高溫帶焊縫未曾出現(xiàn)裂紋,實踐證明熱風(fēng)爐高溫帶焊縫振動時效消除應(yīng)力具實際效果

5 結(jié)語

采用振動時效技術(shù)對大型冶金設(shè)備熱風(fēng)爐殼體結(jié)構(gòu)進行消除應(yīng)力處理,效果明顯、可靠。同時可明顯縮短工期,降低建設(shè)費用。采用振動時效技術(shù)對大型熱風(fēng)爐殼體結(jié)構(gòu)進行消除應(yīng)力處理,消除應(yīng)力效果更均勻,避免了電加熱熱處理時部分電加熱毯易損壞,加熱不均勻,容易出現(xiàn)局部無效果的問題。采用振動時效技術(shù),大大節(jié)省電能消耗,節(jié)能效果明顯。

參考文獻

[1] 房德馨．金屬的殘余應(yīng)力與振動處理技術(shù)[M]．大連:大連理工大學(xué)出版社,1989．

[2] 國家機械行業(yè)標準.焊接構(gòu)件振動時效工藝參數(shù)選擇及技術(shù)要求(JB/T10375-2002).

[3] 國家機械行業(yè)標準.振動時效效果評定方法(JB/T5926-2005).