王文忠

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

三里坪水電站引水系統(tǒng)壓力鋼管鋼岔管設(shè)計額定運(yùn)行水頭87 m，最大運(yùn)行水頭115 m，最大承載水擊壓力1.75 MPa，為洞內(nèi)埋藏式“Y”形分岔結(jié)構(gòu)型式。岔管壁厚36 mm，月牙肋板厚75 mm，主管直徑5500 mm，支管直徑3200 mm，岔管總重87.38 t，均采用Q345R 鋼焊接制造。

由于受現(xiàn)場施工條件和環(huán)境限制，岔管采取在廠內(nèi)整體制造成型后拆解分瓣(瓦片)運(yùn)輸、洞內(nèi)現(xiàn)場進(jìn)行組裝焊接的施工方式。采用振動時效工藝對岔管制作安裝焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行消除處理。

2 振動時效工藝原理

2.1 工藝原理

振動時效(Vibratory Stress Reliele(V.S.R)技術(shù)原理如下:當(dāng)岔管在某特定頻率周期性激振力的作用下受到振動后會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，將其施加于岔管上的振動交變應(yīng)力將與岔管中的殘余應(yīng)力疊加。當(dāng)應(yīng)力疊加的結(jié)果達(dá)到一定數(shù)值后，在應(yīng)力集中最嚴(yán)重的部位就會超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應(yīng)力峰值，從而使構(gòu)件內(nèi)殘余應(yīng)力重新分布，實現(xiàn)降低殘余應(yīng)力、強(qiáng)化金屬基體的“時效”作用。而后振動又在另一些應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位上產(chǎn)生同樣作用，直至振動附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力疊加的代數(shù)和不能引起任何部位的塑性變形為止。此時，振動消除和均化殘余應(yīng)力及強(qiáng)化金屬的過程即結(jié)束。

振動時效就是通過激振設(shè)備在某“亞共振”頻率下產(chǎn)生周期性激振力，使工件在短時間內(nèi)實現(xiàn)較大振幅的“亞共振”振動，從而實現(xiàn)降低殘余應(yīng)力的“消應(yīng)”處理工藝。振動時效在很大范圍內(nèi)可以替代熱時效或爆破消應(yīng)工藝。

2.2 工藝特點(diǎn)

利用嚴(yán)格受控的振動能量對鋼岔管進(jìn)行振動處理，消除、減少和均化岔管內(nèi)的焊接殘余應(yīng)力，明顯提高岔管抗動、靜載能力和抗變形能力。岔管無氧化脫碳現(xiàn)象能保持金屬原有表面及光澤，提高岔管抗腐蝕能力。與熱時效和爆破消應(yīng)相比，VSR 操作簡單、節(jié)能環(huán)保、施工成本和周期降低顯著，可取代熱時效、自然時效和爆破消應(yīng)工藝，消除工件殘余應(yīng)力。

2.3 適用范圍

適用于采用Q235、Q345、Q460、WDB620等具有良好金屬延展性材料制造的、各種球形、貼邊式、月牙肋式和卜形、Y 形、三岔形等鋼岔管的焊接殘余應(yīng)力消除、減少或均化。

3 工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 施工(試驗)準(zhǔn)備

岔管振動時效前，岔管所有焊縫均應(yīng)嚴(yán)格按照DL/T5017-2007規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行100%外觀表面質(zhì)量檢查和100%無損探傷內(nèi)部缺陷檢測。焊縫外觀檢查采用專用的焊縫檢驗尺和目視進(jìn)行，內(nèi)部缺陷檢測采用超聲波探傷(UT)進(jìn)行。

(1)焊縫外觀質(zhì)量檢查。

焊縫外觀檢查質(zhì)量應(yīng)符合DL/T5017-2007中表6.4.1的規(guī)定。當(dāng)外觀檢測懷疑有表面裂紋但難以確定時，采用磁粉探傷方法或表面滲透探傷方法進(jìn)行補(bǔ)充探傷檢查。

(2)焊縫內(nèi)部缺陷無損探傷檢測。

①焊縫內(nèi)部缺陷無損探傷檢測應(yīng)在焊接完成48 h 后進(jìn)行。

②無損探傷的檢測比例。

按照DL/T 5017-2007規(guī)范規(guī)定，鋼岔管焊縫應(yīng)進(jìn)行100%超聲波無損探傷檢測(UT)。

③質(zhì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)。

超聲波探傷(UT)按GB11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果的分級》標(biāo)準(zhǔn)評定，一類焊縫BⅠ級為合格，二類焊縫BⅡ級為合格。

磁粉探傷(MT)按JB/T6061-2007《無損檢測焊縫磁粉檢測》進(jìn)行;滲透探傷(PT)按JB/T6062-2007《無損檢測焊縫滲透檢測》進(jìn)行。

(3)焊縫缺陷處理。

當(dāng)岔管焊縫表面或內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有裂紋時，應(yīng)進(jìn)行分析，找出原因，制定相應(yīng)的處理措施;在對缺陷焊縫進(jìn)行返修后，應(yīng)用超聲波進(jìn)行探傷復(fù)查。

對于焊縫裂紋等擴(kuò)展性缺陷的判別，可采用X射線探傷方法進(jìn)行復(fù)核驗證;當(dāng)不能采用X 射線探傷方法進(jìn)行復(fù)驗檢測時，應(yīng)采用更精密的儀器和探頭，并由高級別或同級別且經(jīng)驗豐富的無損探傷檢測人員進(jìn)行超聲波探傷方法復(fù)核驗證檢測。

3.2 岔管支撐方式

岔管采用懸臂支撐方式，在洞內(nèi)整體呈懸臂支撐狀態(tài)。

3.3 振動時效工藝方案及參數(shù)選擇

(1)振動時效工藝方案。岔管懸臂支撐方式振動時效工藝方案見圖1。

圖1 岔管懸臂支撐方式振動時效工藝處理及殘余應(yīng)力測點(diǎn)(布置)方案示意圖

(2)振動時效工藝及參數(shù)選擇。岔管振動時效工藝采用“單點(diǎn)多頻”三次振動時效。在岔管內(nèi)底部月牙肋部位架設(shè)“激振器”并合理選擇拾振點(diǎn)。分別選擇3個不同的振動頻率進(jìn)行3次時效處理。3次振動時效均采用智能振前掃描自動獲取時效工藝參數(shù)，分別進(jìn)行12、10和9 min 的“強(qiáng)迫共振”振動時效處理，并依次分別記錄各次振動時效處理的振前、振后掃頻A～n 曲線(振幅頻率曲線)。

每次振動時效具體振動時間選擇應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際振動時效效果確定。

確定激振器激振動力的激振器偏心檔位的選擇應(yīng)按岔管的自重進(jìn)行計算確定。

3.4 振動時效試驗裝置的安裝連接及操作要領(lǐng)

(1)調(diào)整工件位置并整理現(xiàn)場環(huán)境，以保證檢測試驗的精度。

(2)將激振器剛性固定在岔管剛度較大且振幅較大處(不準(zhǔn)固定在岔管強(qiáng)度和剛度較低的薄板平面等部位)，拾振器固定安裝在遠(yuǎn)離激振器且在振幅較大處。

(3)選擇被振岔管振前、振后的殘余應(yīng)力檢測點(diǎn)數(shù)均應(yīng)大于5個點(diǎn)。

(4)打磨測試點(diǎn)。先用砂輪進(jìn)行表面粗加工，再用粗砂皮打磨，最后用細(xì)砂紙精打磨，確保表面光滑。用乙醇清潔劑清潔測試點(diǎn);使用瞬間黏合劑粘貼應(yīng)變片并按緊，貼片后在示意圖卡上繪出岔管上各點(diǎn)的位置(每個測試點(diǎn)分開貼兩個應(yīng)變片，分兩組檢測，振前測試第一組測試點(diǎn)中的一個應(yīng)變片，振后測試第二組)。

(5)將測試線拉起(小心拉斷)，使測試線不與構(gòu)件接觸，粘貼接線端子(每點(diǎn)三個方向)。

(6)將測試線焊于接線端子上0°、45°、90°(每個角度有兩根測試線)，將剩余測試線剪斷。

(7)連接數(shù)據(jù)線。

(8)將靜態(tài)應(yīng)變儀清零，通道1、2、3(單點(diǎn)平衡)。

(9)將打孔裝置接入到穩(wěn)壓電源24 V，手持鉆槍保持平衡、勻速的鉆入(須鉆在測試片中心);鉆孔的同時，由助手觀察并記錄，靜態(tài)應(yīng)變儀記錄振前值。依次記錄每個孔的振前應(yīng)變值。

(10)起振。在對被測工件進(jìn)行振動時效處理完畢后，再對各點(diǎn)的第二組應(yīng)變片進(jìn)行打孔檢測數(shù)值。

(11)處理完畢，再對各點(diǎn)的第二組應(yīng)變片進(jìn)行打孔檢測數(shù)值。

(12)記錄振后應(yīng)變數(shù)值。

(13)將全部實驗數(shù)據(jù)與測量結(jié)果均列表記錄或表示，按公式計算殘余應(yīng)力的大小和方向，并對測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析。

(14)將數(shù)據(jù)線拆除，清理現(xiàn)場。

3.5 殘余應(yīng)力測量(盲孔法)

(1)盲孔法殘余應(yīng)力測量原理。

盲孔法殘余應(yīng)力測試。測量時，在工件上鉆一直徑為1.5 mm 的小孔(圖3)，使被測點(diǎn)的應(yīng)力得到釋放，并由事先貼在孔周圍的三向直角應(yīng)變計測得釋放的應(yīng)變量;為方便計算，三應(yīng)變片之間的夾角采用標(biāo)準(zhǔn)角度:0°、45°、90°，這樣測得的三個應(yīng)變分別為ε0、ε45和ε90，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計算出殘余應(yīng)力。其計算公式為:

式中應(yīng)變單位為με，鋼為Q345R，彈性模量E=2.06×105MPa，應(yīng)力單位為MPa。A、B 為已知釋放系數(shù)(與孔徑、孔深、應(yīng)變花的幾何尺寸及被測材料彈性模量E、泊松比有關(guān))。濟(jì)南市博納機(jī)電設(shè)備有限公司配置的BX120-3AC 專用應(yīng)變花在普通鋼上鉆直徑為1.5 mm 孔的釋放系數(shù)為:A=0.25，B=-0.72;θ為最大主應(yīng)力(代數(shù)值)與應(yīng)變花0°應(yīng)變片參考軸之夾角，順時針取向。

圖2 試件殘余應(yīng)力應(yīng)變花貼片圖

(2)殘余應(yīng)力測點(diǎn)的選擇與布置。

根據(jù)鋼岔管設(shè)計結(jié)構(gòu)型式、安裝焊接工藝、現(xiàn)場焊縫組合情況及振動時效工藝方案，殘余應(yīng)力測點(diǎn)位置的選擇和布置選用下列組合方式(圖4)。

測點(diǎn)①:分岔支管的環(huán)縫及縱縫交叉點(diǎn);

測點(diǎn)②:分岔支管的環(huán)縫及縱縫交叉點(diǎn);

測點(diǎn)③:月牙肋U 梁及支管分岔管環(huán)縫的相貫(線)焊縫處;

測點(diǎn)④:管壁與月牙肋U 梁及腰梁的匯集相貫(線)焊縫處;

測點(diǎn)⑤:主管管壁與月牙肋U 梁及分支岔管管壁相貫(線)焊縫處。

(3)殘余應(yīng)力測量工況選擇。

①在振動時效工藝實施前，測量焊縫原始?xì)堄鄳?yīng)力;

②在實施振動時效工藝后，測量原測點(diǎn)殘余應(yīng)力的變化。

通過對比分析，驗證振動時效工藝對消除殘余應(yīng)力的效果。

(4)殘余應(yīng)力測量結(jié)果的采集。

首先用讀數(shù)顯微鏡對準(zhǔn)“三向應(yīng)變花”后，將殘余應(yīng)力測量裝置吸盤固定，儀器調(diào)零，然后用直徑1.5 mm 的鉆頭鉆孔，鉆孔深3 mm 退出，儀器采集記錄。

(5)測量線路及防潮處理。

應(yīng)變片獲取信號后，利用屏蔽電纜傳遞至應(yīng)變儀，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量。測量橋路采用半橋外部接線“多點(diǎn)公共溫度補(bǔ)償”，設(shè)溫度補(bǔ)償片。

應(yīng)變片采用絕緣性瞬間固結(jié)粘結(jié)膠粘貼，經(jīng)充分固結(jié)和干燥后，采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行防潮密封處理，以保證應(yīng)變片具有良好的絕緣度。

3.6 振動前、后振幅頻率A～n 曲線對比分析

振動時效工藝處理記錄見表1。

由表1分析可知:

表1 振動時效工藝處理記錄表

從第1次時效處理的振前、振后A～n 曲線對比分析中可以得到:

A 位置:一階共振加速度峰值已從振前的48.6 m/s2升高到振后的49 m/s2;一階共振頻率由振前的7984 rpm 前移到振后的7970 rpm。

從第2次時效處理的振前、振后A～n 曲線對比分析中可以得到:

A 位置:一階共振加速度峰值已從振前的52.5 m/s2降低到振后的51.3 m/s2;一階共振頻率由振前7920 rpm 前移到振后的7910 rpm。

從第3次時效處理的振前、振后A～n 曲線對比分析中可以得到:

A 位置:一階共振加速度峰值已從振前的95.9 m/s2上升到振后的101.6 m/s2;一階共振頻率由振前的7207 rpm 后移到振后的7221 rpm。

根據(jù)《焊接構(gòu)件振動時效工藝參數(shù)選擇與技術(shù)要求》JB/T10375-2002的規(guī)定:A～n 曲線振后共振峰發(fā)生了單項特征或組合特征的變化(出現(xiàn)振幅升高或降低、左移或右移)，即可判定上述振動時效工藝處理有效。

3.7 振動時效殘余應(yīng)力測量結(jié)果分析

首先，用讀數(shù)顯微鏡對準(zhǔn)“三向應(yīng)變花”后，將殘余應(yīng)力測量裝置吸盤固定，儀器調(diào)零，然后用直徑1.5 mm 的鉆頭鉆孔，孔深3 mm 退出，儀器采集記錄。

通過計算，各測點(diǎn)振前、振后的殘余應(yīng)力見表2。

由表2分析可知:

(1)振動時效前后對比，部分測點(diǎn)的平面主應(yīng)力基本呈“正負(fù)異向”改變，表明焊接部位的分子排列位錯顯著改善、殘余應(yīng)力得到充分釋放。

(2)振動時效前，鋼岔管焊接應(yīng)力水平總體較高。通過振動時效處理后，各測點(diǎn)殘余應(yīng)力平均消除38.5%以上(不計入“正負(fù)異向”改善)。

(3)振動時效處理后，所測各點(diǎn)殘余應(yīng)力的主應(yīng)力均小于50%σs。

4 振動時效消除殘余應(yīng)力效果判定

表2 鋼岔管殘余應(yīng)力測量分析表

4.1 振動時效工藝處理

通過在岔管底部的月牙肋部位架設(shè)激振器進(jìn)行“單點(diǎn)多頻”3次整體振動時效消應(yīng)工藝處理，并對岔管振動前、后振幅頻率A～n 曲線進(jìn)行對比分析，根據(jù)JB/T 10375規(guī)定:振動A～n 曲線振后共振峰發(fā)生了單項特征或組合特征的明顯變化(出現(xiàn)振幅升高、降低、左移右移)，即可判定:振動時效工藝消除應(yīng)力處理為有效。

4.2 焊接應(yīng)力測量分析

經(jīng)對岔管進(jìn)行盲孔法殘余應(yīng)力測量分析，岔管在經(jīng)過振動時效處理前、后，各測點(diǎn)焊接應(yīng)力平消除率達(dá)38.5%;振動時效后，部分測點(diǎn)的主應(yīng)力基本呈“正負(fù)異向”，表明焊接部位分子排列微觀改善，振動時效達(dá)到了良好的消應(yīng)效果。

4.3 判定結(jié)論

綜上所述，鋼岔管經(jīng)振動時效消除焊接殘余應(yīng)力處理試驗，符合規(guī)范DL/T 5017-2007規(guī)范驗收要求。

5 結(jié)語

三里坪水電站壓力鋼管鋼岔管原計劃采用熱時效法進(jìn)行消除焊接殘余應(yīng)力處理，概算需投入資金約50余萬元，計劃工期30 d。采用振動時效工藝消除焊接殘余應(yīng)力處理，實際費(fèi)用開支5萬元，實際工作時間2 d。與采用傳統(tǒng)熱時效工藝相比，節(jié)約時效成本90%，節(jié)能95%，提高工效15倍，設(shè)備投資不到熱處理設(shè)備投資的10%，生產(chǎn)費(fèi)用不到熱處理費(fèi)用的10%。