利用振動時效技術消除高爐熱風爐穹頂的焊接殘余應力

吳文明

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

關鍵詞:振動時效熱風爐殼體焊接殘余應力

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高爐系統熱風爐高度為49.5m,直徑為10～11.34m,重量404t,材質分兩種,直筒段殼體為Q235B,穹頂(即高溫帶)材質為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力值高,最大實測值近400MPa。熱風爐投用后要在酸性氣體環境下承受高溫和交變高壓應力作用,工況惡劣,在此情況下焊縫易出現應力腐蝕裂紋。因此設計要求對高溫帶殼體進行消除應力處理。

消除焊接殘余應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,質量不易保證等缺點。國內大量的工程實踐已證明[1],振動時效具有下列顯著的技術作用:①降低和均化應力;②防止和減少應力腐蝕;③防止和減少結構變形;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#高爐系統熱風爐施工過程中,根據工程進展實際,參考國內振動時效設備應用情況,決定采用振動時效消除殘余應力。（如圖1)

1 設備工藝參數選擇[2]

1.1 設備

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力處理。熱風爐殼體總質量量達404t,確定使用最大激振力為50KN的LCDVSR-07型振動消除應力系統設備,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:

(1)由試振得出殼體的共振頻率有4個,根據其振動形式優化選擇最佳頻率組,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

激振點應選在剛性較大的厚板處,以便能帶動殼體產生共振。由于殼體質量和形體較大,為使殼體各部分都能產生共振,焊接殘余應力均勻降低,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生振幅基本一致的共振,焊接殘余應力能均勻降低。考慮到結構軸對稱的特點,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,由于熱風爐穹頂位于38.6～50m的高空,為防止振動過程出現跌墜,將熱風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爐發生水平位移即可。

1.4 效果評定檢測方法及測點布置

效果評定采用殘余應力檢測法,在時效前后采用盲孔法進行殘余應力測試,通過數據對比評定效果。應力測點均勻布置(見圖2),涵蓋穹頂各帶立焊縫和橫(環)焊縫。共布置18個應力測點,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,根據時效曲線(a—t曲線) 出現上升后變平或上升后下降然后變平情況后,再振動3min,結束時效。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 數據檢測與分析

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

3.2 殘余應力測試數據的分析

從表一可以看出穹頂的振動處理在消除應力上有明顯效果:

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

上述分析,說明穹頂振動時效處理的工藝參數選擇合理,達到預期目的。

4 效益

4.1 經濟效益

如果采用電加熱方式局部熱處理,造價(含人工、設備、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,節省工期兩周。

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

5 結語

采用振動時效技術對大型冶金設備熱風爐殼體結構進行消除應力處理,效果明顯、可靠。同時可明顯縮短工期,降低建設費用。采用振動時效技術對大型熱風爐殼體結構進行消除應力處理,消除應力效果更均勻,避免了電加熱熱處理時部分電加熱毯易損壞,加熱不均勻,容易出現局部無效果的問題。采用振動時效技術,大大節省電能消耗,節能效果明顯。

參考文獻

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

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

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