振動時效技術在水電站岔管消應力上的應用

鄭必剛

云南省國電小龍潭電廠 ，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。

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

1 項目內容

岔管振動時效消應力包含：1）對岔管進行振動時效處理，依據標準對振動消應效果做出定性評價；2）振動時效前后分別進行殘余應力測試，通過對振動時效前后殘余應力狀況的分析對比，對岔管振動消應效果進行定量評價；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生變形。

2 振動時效消除殘余應力的原理

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

振動時效由于設備簡單，易于搬動，因此可以在任何場地進行現場處理，它不受構件大小和材料的限制，從幾十千克到上百噸的構件都可使用振動時效技術。特別是對于一些大型構件無法使用熱時效處理時，振動時效就具有更加突出的優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即可轉入下道工序，因此，相對于熱時效而言，振動時效可節省時間、能源和費用，特別是可以節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，具有高效節能、設備投資少、操作簡單、不受生產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。根據振動時效的要求,受振工件應放置在彈性支撐上，并且支撐點處于工件受迫振動的節線處。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整。同時，為了解決岔管在振動時效時可能發生的位移，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。根據機械振動理論，分析判斷構件可能的共振頻率及構件在激振頻率范圍內可能出現的振型，在此基礎上，選擇激振設備的頻率范圍。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，其方向應與振動方向一致。

經計算分析，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，根據以上分析，選用1000～4000r/min的激振設備應能激起工件的諧振響應。激振點選擇在岔管頂面加勁環上以便于裝卡，同時又易于引起諧振響應。初步確定在岔管最大直徑處周圍的二個加勁環上各設一個激振點，并根據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剛性連接，并用專用卡具卡緊。接觸面要良好，然后將偏心調到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：根據估計的諧振頻率。將最高轉速設為3000r/rain，偏心檔暫選定在1檔，時效時間設為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，設備自動選擇電流和加速度值最大時相對應的諧振頻率為主振頻率。在以主振頻率激振時，工件會發出較大的嗡嗡聲，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，反之為波峰。也可通過變化拾振器的位置來檢測波峰、波節位置，根據試振情況對激振點和拾振點的位置加以調整，使之更為合理。

4）正式振動。在試振的基礎上確定正式振動時的時效參數，如主振頻率、時效階數、最高轉速、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；最高轉速應高于諧振頻率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，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內應結束振動，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)，以較小的動應力來消除高值殘余應力，然后逐級調高擋位。

5）振動參數記錄：在正式振動時，應記錄有關參數并打印出測試曲線及數據。

5 振動時效效果評定

5.1 定性評定

依據標準，采用參數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 —■振前峰值應力 —振后峰值應力

2）南門峽五級站岔管振動時效結果綜合評定：岔管各激振點振動時效前后的掃頻曲線發生了變化，加速度轉速曲線(a-n曲線)左移，振幅升高，說明固有頻率下降，阻尼減小；加速度時間曲線(a-t曲線)也發生了變化，加速度幅值升高或降低后趨于平穩；根據JB／T59261998《振動時效工藝參數選擇及技術要求》的第4.1.2款和JB／T10375 2002《焊接構件振動時效工藝參數選擇及技術要求》的第6.1款之規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峰值殘余應力及振動消應力效果對比曲線見圖2。

岔管焊接殘余應力消除效果評定：

振前測點平均應力543MPa，振后測點平均應力335MPa。經過振動時效后，應力平均值“降低率為38.3%。振前最大應力605MPa，振后最大應力360MPa，振前最小應力440MPa，振后最小應力250MPa。南門峽電站岔管焊接殘余應力消除效果評定結論：整體消應效果滿足相關技術工藝參數之規定。

6 無損檢測復探結果

岔管焊接殘余應力振動時效消應力后，對岔管焊縫進行了超聲波復驗，未發現缺陷產生。

7 岔管口尺寸檢測結果

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、后管口的尺寸復測，岔管尺寸基本不變。

8 結論

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