三里坪水電站鋼岔管振動時效消除焊接殘余應力工藝

王文忠

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

三里坪水電站引水系統壓力鋼管鋼岔管設計額定運行水頭87 m，最大運行水頭115 m，最大承載水擊壓力1.75 MPa，為洞內埋藏式“Y”形分岔結構型式。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。

由于受現場施工條件和環境限制，岔管采取在廠內整體制造成型后拆解分瓣(瓦片)運輸、洞內現場進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生的焊接殘余應力進行消除處理。

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)技術原理如下:當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生共振現象，將其施加于岔管上的振動交變應力將與岔管中的殘余應力疊加。當應力疊加的結果達到一定數值后，在應力集中最嚴重的部位就會超過材料的屈服極限而發生塑性變形。這種塑性變形降低了該處殘余應力峰值，從而使構件內殘余應力重新分布，實現降低殘余應力、強化金屬基體的“時效”作用。而后振動又在另一些應力集中較嚴重的部位上產生同樣作用，直至振動附加應力與殘余應力疊加的代數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力及強化金屬的過程即結束。

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

2.2 工藝特點

利用嚴格受控的振動能量對鋼岔管進行振動處理，消除、減少和均化岔管內的焊接殘余應力，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相比，VSR 操作簡單、節能環保、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工藝，消除工件殘余應力。

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力消除、減少或均化。

3 工藝流程及操作要點

3.1 施工(試驗)準備

岔管振動時效前，岔管所有焊縫均應嚴格按照DL/T5017-2007規范的相關規定進行100%外觀表面質量檢查和100%無損探傷內部缺陷檢測。焊縫外觀檢查采用專用的焊縫檢驗尺和目視進行，內部缺陷檢測采用超聲波探傷(UT)進行。

(1)焊縫外觀質量檢查。

焊縫外觀檢查質量應符合DL/T5017-2007中表6.4.1的規定。當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行補充探傷檢查。

(2)焊縫內部缺陷無損探傷檢測。

①焊縫內部缺陷無損探傷檢測應在焊接完成48 h 后進行。

②無損探傷的檢測比例。

按照DL/T 5017-2007規范規定，鋼岔管焊縫應進行100%超聲波無損探傷檢測(UT)。

③質量檢測標準。

超聲波探傷(UT)按GB11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果的分級》標準評定，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》進行;滲透探傷(PT)按JB/T6062-2007《無損檢測焊縫滲透檢測》進行。

(3)焊縫缺陷處理。

當岔管焊縫表面或內部發現有裂紋時，應進行分析，找出原因，制定相應的處理措施;在對缺陷焊縫進行返修后，應用超聲波進行探傷復查。

對于焊縫裂紋等擴展性缺陷的判別，可采用X射線探傷方法進行復核驗證;當不能采用X 射線探傷方法進行復驗檢測時，應采用更精密的儀器和探頭，并由高級別或同級別且經驗豐富的無損探傷檢測人員進行超聲波探傷方法復核驗證檢測。

3.2 岔管支撐方式

岔管采用懸臂支撐方式，在洞內整體呈懸臂支撐狀態。

3.3 振動時效工藝方案及參數選擇

(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力測點(布置)方案示意圖

(2)振動時效工藝及參數選擇。岔管振動時效工藝采用“單點多頻”三次振動時效。在岔管內底部月牙肋部位架設“激振器”并合理選擇拾振點。分別選擇3個不同的振動頻率進行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，分別進行12、10和9 min 的“強迫共振”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根據現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按岔管的自重進行計算確定。

3.4 振動時效試驗裝置的安裝連接及操作要領

(1)調整工件位置并整理現場環境，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(不準固定在岔管強度和剛度較低的薄板平面等部位)，拾振器固定安裝在遠離激振器且在振幅較大處。

(3)選擇被振岔管振前、振后的殘余應力檢測點數均應大于5個點。

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

(5)將測試線拉起(小心拉斷)，使測試線不與構件接觸，粘貼接線端子(每點三個方向)。

(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)連接數據線。

(8)將靜態應變儀清零，通道1、2、3(單點平衡)。

(9)將打孔裝置接入到穩壓電源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，靜態應變儀記錄振前值。依次記錄每個孔的振前應變值。

(10)起振。在對被測工件進行振動時效處理完畢后，再對各點的第二組應變片進行打孔檢測數值。

(11)處理完畢，再對各點的第二組應變片進行打孔檢測數值。

(12)記錄振后應變數值。

(13)將全部實驗數據與測量結果均列表記錄或表示，按公式計算殘余應力的大小和方向，并對測量結果進行誤差分析。

(14)將數據線拆除，清理現場。

3.5 殘余應力測量(盲孔法)

(1)盲孔法殘余應力測量原理。

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

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

圖2 試件殘余應力應變花貼片圖

(2)殘余應力測點的選擇與布置。

根據鋼岔管設計結構型式、安裝焊接工藝、現場焊縫組合情況及振動時效工藝方案，殘余應力測點位置的選擇和布置選用下列組合方式(圖4)。

測點①:分岔支管的環縫及縱縫交叉點;

測點②:分岔支管的環縫及縱縫交叉點;

測點③:月牙肋U 梁及支管分岔管環縫的相貫(線)焊縫處;

測點④:管壁與月牙肋U 梁及腰梁的匯集相貫(線)焊縫處;

測點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)殘余應力測量工況選擇。

①在振動時效工藝實施前，測量焊縫原始殘余應力;

②在實施振動時效工藝后，測量原測點殘余應力的變化。

通過對比分析，驗證振動時效工藝對消除殘余應力的效果。

(4)殘余應力測量結果的采集。

首先用讀數顯微鏡對準“三向應變花”后，將殘余應力測量裝置吸盤固定，儀器調零，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。

應變片獲取信號后，利用屏蔽電纜傳遞至應變儀，實現遠距離測量。測量橋路采用半橋外部接線“多點公共溫度補償”，設溫度補償片。

應變片采用絕緣性瞬間固結粘結膠粘貼，經充分固結和干燥后，采用環氧樹脂進行防潮密封處理，以保證應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《焊接構件振動時效工藝參數選擇與技術要求》JB/T10375-2002的規定:A～n 曲線振后共振峰發生了單項特征或組合特征的變化(出現振幅升高或降低、左移或右移)，即可判定上述振動時效工藝處理有效。

3.7 振動時效殘余應力測量結果分析

首先，用讀數顯微鏡對準“三向應變花”后，將殘余應力測量裝置吸盤固定，儀器調零，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，各測點振前、振后的殘余應力見表2。

由表2分析可知:

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

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

(3)振動時效處理后，所測各點殘余應力的主應力均小于50%σs。

4 振動時效消除殘余應力效果判定

表2 鋼岔管殘余應力測量分析表

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激振器進行“單點多頻”3次整體振動時效消應工藝處理，并對岔管振動前、后振幅頻率A～n 曲線進行對比分析，根據JB/T 10375規定:振動A～n 曲線振后共振峰發生了單項特征或組合特征的明顯變化(出現振幅升高、降低、左移右移)，即可判定:振動時效工藝消除應力處理為有效。

4.2 焊接應力測量分析

經對岔管進行盲孔法殘余應力測量分析，岔管在經過振動時效處理前、后，各測點焊接應力平消除率達38.5%;振動時效后，部分測點的主應力基本呈“正負異向”，表明焊接部位分子排列微觀改善，振動時效達到了良好的消應效果。

4.3 判定結論

綜上所述，鋼岔管經振動時效消除焊接殘余應力處理試驗，符合規范DL/T 5017-2007規范驗收要求。

5 結語

三里坪水電站壓力鋼管鋼岔管原計劃采用熱時效法進行消除焊接殘余應力處理，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力處理，實際費用開支5萬元，實際工作時間2 d。與采用傳統熱時效工藝相比，節約時效成本90%，節能95%，提高工效15倍，設備投資不到熱處理設備投資的10%，生產費用不到熱處理費用的10%。