振動(dòng)時(shí)效技術(shù)在水電站岔管消應(yīng)力上的應(yīng)用

鄭必剛

云南省國電小龍?zhí)峨姀S ，云南 開遠(yuǎn) 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(jī)容量2×1.2萬千瓦，為引水式水電站，設(shè)計(jì)水頭200m，一管二機(jī)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(jì)要求和運(yùn)行的安全性，岔管應(yīng)進(jìn)行消除應(yīng)力處理，通過對(duì)消應(yīng)力的各種方案分析、論證，決定采用振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)方案。

1 項(xiàng)目?jī)?nèi)容

岔管振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力包含：1）對(duì)岔管進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)振動(dòng)消應(yīng)效果做出定性評(píng)價(jià)；2）振動(dòng)時(shí)效前后分別進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)試，通過對(duì)振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力狀況的分析對(duì)比，對(duì)岔管振動(dòng)消應(yīng)效果進(jìn)行定量評(píng)價(jià)；3）時(shí)效前后分別進(jìn)行無損探傷檢查，判斷振動(dòng)消應(yīng)力后焊縫及母材有無缺陷或缺陷擴(kuò)展，并在時(shí)效前后分別對(duì)岔管尺寸進(jìn)行檢測(cè)，判斷振動(dòng)時(shí)效后岔管是否發(fā)生變形。

2 振動(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的原理

振動(dòng)時(shí)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(dá)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(shí)效的補(bǔ)充和發(fā)展，可在很大范圍內(nèi)代替熱時(shí)效。振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力是對(duì)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(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí)，這些點(diǎn)將產(chǎn)生塑性變形。如果這種循環(huán)應(yīng)力使某些點(diǎn)產(chǎn)生晶格滑移，盡管宏觀上沒有達(dá)到材料的屈服極限，也同樣會(huì)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(diǎn)上。因此，使這些點(diǎn)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(dòng)時(shí)效消除殘余應(yīng)力的機(jī)理。

振動(dòng)時(shí)效由于設(shè)備簡(jiǎn)單，易于搬動(dòng)，因此可以在任何場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)時(shí)效技術(shù)。特別是對(duì)于一些大型構(gòu)件無法使用熱時(shí)效處理時(shí)，振動(dòng)時(shí)效就具有更加突出的優(yōu)越性和較強(qiáng)的實(shí)用性。

工件振動(dòng)時(shí)間通常僅需半小時(shí)，最長(zhǎng)不超過50min即可轉(zhuǎn)入下道工序，因此，相對(duì)于熱時(shí)效而言，振動(dòng)時(shí)效可節(jié)省時(shí)間、能源和費(fèi)用，特別是可以節(jié)省建造大型燜火窯的巨大投資。同時(shí)，振動(dòng)時(shí)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(jiǎn)單、不受生產(chǎn)場(chǎng)地限制等顯著特點(diǎn)。

3 岔管振動(dòng)時(shí)效實(shí)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(yuǎn)電力修造廠完成。根據(jù)振動(dòng)時(shí)效的要求,受振工件應(yīng)放置在彈性支撐上，并且支撐點(diǎn)處于工件受迫振動(dòng)的節(jié)線處。具體方案是在6m×6m的工作平臺(tái)上用型鋼將支撐接起來（平臺(tái)重約30t），離開工作平臺(tái)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(dòng)時(shí)效過程中不再對(duì)支撐位置進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，為了解決岔管在振動(dòng)時(shí)效時(shí)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(shí)施步驟

1）確定激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)位置。根據(jù)機(jī)械振動(dòng)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(diǎn)、激振點(diǎn)、拾振點(diǎn)等位置。支撐點(diǎn)選擇在波節(jié)處(工件在自由振動(dòng)時(shí)振幅最小處)或附近，激振點(diǎn)選擇在被振工件的波峰處(工件在自由振動(dòng)時(shí)振幅最大處)或附近，拾振器應(yīng)固定在遠(yuǎn)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(dòng)方向一致。

經(jīng)計(jì)算分析，岔管的諧振頻率估計(jì)在1500～3000r/min左右，振型為彎扭振型，節(jié)點(diǎn)在岔管橫截面時(shí)鐘位置5點(diǎn)、7點(diǎn)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(diǎn)選擇在岔管頂面加勁環(huán)上以便于裝卡，同時(shí)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(gè)加勁環(huán)上各設(shè)一個(gè)激振點(diǎn)，并根據(jù)時(shí)效效果對(duì)激振點(diǎn)有所增減或變更位置。拾振器放在岔管頂部距激振點(diǎn)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(diǎn)約200～500mm并有明顯振感的地方，連接好加速度信號(hào)線。

3）試振：根據(jù)估計(jì)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(shí)效時(shí)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(dòng)選擇電流和加速度值最大時(shí)相對(duì)應(yīng)的諧振頻率為主振頻率。在以主振頻率激振時(shí)，工件會(huì)發(fā)出較大的嗡嗡聲，此時(shí)往岔管上撒一些沙子，沙子會(huì)劇烈的跳動(dòng)，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(cè)波峰、波節(jié)位置，根據(jù)試振情況對(duì)激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)的位置加以調(diào)整，使之更為合理。

4）正式振動(dòng)。在試振的基礎(chǔ)上確定正式振動(dòng)時(shí)的時(shí)效參數(shù)，如主振頻率、時(shí)效階數(shù)、最高轉(zhuǎn)速、時(shí)效時(shí)間、偏心擋位等。主振頻率可從試振時(shí)的掃頻曲線得知；時(shí)效階數(shù)一般選一階和二階，如果二階諧振時(shí)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(shí)效時(shí)間不宜過長(zhǎng)，因?yàn)?，在以主振頻率開始振動(dòng)后的3～5min內(nèi)，時(shí)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(shí)問一振幅曲線變平后的5～10min內(nèi)應(yīng)結(jié)束振動(dòng)，因此每次振動(dòng)時(shí)間以不超過15min為宜；在第一次正式振動(dòng)時(shí)，偏心擋位可選取較低的擋位(1～2擋)，以較小的動(dòng)應(yīng)力來消除高值殘余應(yīng)力，然后逐級(jí)調(diào)高擋位。

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

5 振動(dòng)時(shí)效效果評(píng)定

5.1 定性評(píng)定

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，采用參數(shù)曲線觀測(cè)法進(jìn)行定性評(píng)定。

1）南門峽電站岔管振動(dòng)時(shí)效支撐點(diǎn)、激振點(diǎn)位置布置如圖所示。說明：圖1中虛框及數(shù)字表示支撐點(diǎn)位置及其序號(hào)，圖中實(shí)心黑點(diǎn)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(jí)站岔管振動(dòng)時(shí)效結(jié)果綜合評(píng)定：岔管各激振點(diǎn)振動(dòng)時(shí)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?。患铀俣葧r(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)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(dòng)時(shí)效已取得效果。

5.2 定量評(píng)定

采用振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力實(shí)測(cè)對(duì)比法對(duì)振動(dòng)時(shí)效效果進(jìn)行定量評(píng)定。對(duì)南門峽電站岔管焊縫各測(cè)區(qū)峰值殘余應(yīng)力及振動(dòng)消應(yīng)力效果對(duì)比曲線見圖2。

岔管焊接殘余應(yīng)力消除效果評(píng)定：

振前測(cè)點(diǎn)平均應(yīng)力543MPa，振后測(cè)點(diǎn)平均應(yīng)力335MPa。經(jīng)過振動(dòng)時(shí)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(píng)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(cè)復(fù)探結(jié)果

岔管焊接殘余應(yīng)力振動(dòng)時(shí)效消應(yīng)力后，對(duì)岔管焊縫進(jìn)行了超聲波復(fù)驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)缺陷產(chǎn)生。

7 岔管口尺寸檢測(cè)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(duì)震動(dòng)前、后管口的尺寸復(fù)測(cè)，岔管尺寸基本不變。

8 結(jié)論

通過對(duì)南門峽電站岔管振動(dòng)時(shí)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(cè)、幾何形態(tài)的各單項(xiàng)測(cè)試做出的定性和定量效果評(píng)價(jià)達(dá)到上述規(guī)范的要求，岔管振動(dòng)時(shí)效工作取得了成功。