振動時效技術在自升式風電安裝平臺固樁架上的應用

朱曉宇，盧 海，張永恒，楊志久

（1.中國船級社青島分社，山東 青島 266034；2.煙臺中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264012）

自升式平臺升降系統主要由樁腿、固樁架和升降裝置組成[1]。固樁架屬于平臺升降系統的重要組成部分，平臺的樁腿從固樁架結構中穿過，通過齒輪、齒條組成的升降裝置將樁腿上承受的載荷傳遞到固樁架上進而傳遞給主船體，因此固樁架是船體上承受外部載荷的重要結構，固樁架及其上齒輪箱、軸套的精度和穩定性對整個風電安裝平臺的安全使用具有重大影響[2]。自升式風電安裝平臺的固樁架結構是由不同材質、不同厚度的高強度鋼材組合焊接而成，其結構復雜、焊接量大，制作過程中會產生大量分布不均衡的焊接殘余應力[3]。研究表明，焊接殘余應力是導致結構斷裂、變形及應力腐蝕的重要原因[4]。為了防止結構在使用過程中因焊接殘余應力的影響而導致精度超差或損傷失效，需對完工的固樁架進行殘余應力消除處理。

為消除工件內的殘余應力，可將焊后的工件在其自身固有頻率附近的激振載荷作用下進行一定時長的振動，這種方法稱之為振動時效技術。近些年來，國內外學者針對這一技術進行了一系列理論探索，并逐步開始推向工程應用。WALKER C A 等[5]基于位錯運動理論，指出殘余應力峰值的降低是一種微觀尺度的位錯運動。顧邦平等[6]分析了不同激振頻率對焊接構件內部殘余應力的影響，實驗結果表明高頻率和高幅度的振動激勵更利于削弱構件內的殘余應力。劉春澤等[7]從理論上分析推導了振動時效技術降低殘余應力的原理，歸納闡述了該技術方法的研究進展、技術特點、檢測方法、判斷方法等關鍵要素，并對該技術的未來發展方向進行了展望，為振動時效技術在工業領域的發展提供了指導。狄歐等[8]分析了振動時效處理與熱時效處理方法去除殘余應力的機理差異，從理論和試驗的角度上分析論證了兩種方法消除焊接殘余應力的能力，為振動時效技術在機械構件上的應用提供了參考。賈峰等[9]通過試驗證明了振動時效技術在消除和均化大型焊接構件殘余應力、提高工件尺寸精度穩定性方面的作用。振動時效技術不僅在機械工業應用空間廣泛，在船舶與海洋工程領域同樣有很大的發展空間。徐玉強等[10]以D36 低合金高強度鋼的焊接構件作為研究對象，對比研究了在振動時效前后焊接構件的內應力、結構疲勞特性和材料微觀理化特性的變化，取得了很好的試驗結果，為海洋平臺焊接結構件的殘余應力消除工作提供指導，為該技術在船舶與海洋工程領域的應用提供了理論和試驗依據。李家林等[11]曾以R-550D 平臺升降基礎為研究對象，探索振動時效工藝在海洋平臺上的應用，為類似項目的開展提供了很好的參考。李春國等[12]以海洋工程領域常用的DH36 焊接件為研究對象，分析研究應用振動時效方法前后試件內的應力水平、殘余應力分布、結構力學性能及疲勞特性等的變化，證明了其在降低殘余應力水平和提升抗疲勞性能方面的作用，為推廣振動時效技術在海洋工程領域的使用提供了良好的理論依據。

固樁架作為支持自升式平臺樁腿升降的重要基礎構件，其安全性能影響到整個平臺的運營，因此探索使用振動時效技術在固樁架上的應用，保證其精度和安全性，對于整個自升式平臺全生命周期的安全使用具有極其重要的意義。本文以一個質量約100 t 的固樁架分段為研究對象，采用專門的振動時效設備對固樁架施加激振力，測量振動時效前后主焊縫附近的殘余應力水平，監測振動時效前后構件的尺寸精度和焊縫無損檢測狀況，取得了良好的處理結果，證明了該技術在海洋工程領域應用的可行性和效果。

1 振動時效技術

從宏觀角度來看，振動時效技術的原理是給焊接結構件施加激振載荷使其發生變形，在外載荷與內部殘余應力的共同作用下，結構內部的應力之和超過材料屈服極限時，構件內部的屈服變形隨之大幅度降低，并起到均布焊接構件內部殘余應力的作用[13]。從微觀角度下材料的理化特性來說，降低殘余應力就是將構件中的彈性應變能通過產生一定微觀尺度下的塑性變形從而得到釋放的過程。由于材料晶體內的位錯可以在周期性應力作用下克服晶體間的阻力，產生的滑移可以引發塑性變形從而減小殘余應力的最大值，同時重構結構內的應力場，使得殘余應力分布更加均勻。尤其是在一定時長的周期性振動激勵載荷連續作用下可使得晶體間位錯分布更加均勻，有效降低焊接結構的殘余應力峰值及熱點區的應力集中度，幫助提高構件的長期精度穩定性和安全性。

研究發現，影響振動時效工藝處理效果的參數很多[14]，例如激振點與構件支點的布置方案、外激載荷幅值及周期、激振力作用時長等，且大多參數之間互相影響，并不獨立。對于大型構件，通常將支點布設在結構的振型節點處，通過施加不同頻率的外激頻率測試構件的共振或亞共振頻率，并在這些使構件發生大幅振動的激振載荷作用下進行振動時效處理，之后通過盲孔法檢驗殘余應力消除效果[15]。盲孔法測量殘余應力原理如圖1 所示，將應變片粘貼在選定的主焊縫根部處，在應變片中心打一直徑與深度均約2 mm 的孔，通過測量打孔過程中的應力應變釋放情況來考察該處殘余應力重布前后引發的應變改變，進而應用式（1）至式（3）計算構件內殘余應力的大小[16]。

圖1 盲孔法測量殘余應力原理[16]

式中，滓min 為最小主應力；滓max 為最大主應力；E 為材料的彈性模量；滋為泊松比；著1、著2、著3 分別表示3 個不同方向的應變。

盲孔法的評價指標一般采用應力消除率琢表征[17]，進行振動時效試驗前，在主焊縫根部附近區域粘貼應力應變片，在應力應變片中心打孔測量該處的振前殘余應力水平，而后進行振動時效試驗，試驗完成后，在同一區域內振前檢測點附近繼續采用盲孔法測量該區域振后殘余應力水平，而后采用式（4）計算應力消除率即可。

式中，琢為應力消除率；A1為振前平均應力水平；A2為振后平均應力水平。

振動時效技術的處理效果可依據參數曲線觀測法判斷[18]。文獻[7]提到，振動參數曲線可能發生的變化主要有4 種，如圖2 所示。

圖2 振動參數曲線[7]

圖2（a）中振幅峰值隨時間的增加先上升后趨于穩定，或振幅峰值隨時間的增加先上升后下降，而后趨于穩定。圖2（b）中振幅峰值隨頻率的增加先上升后下降，振后振幅峰值較振前上升。圖2（c）中振幅峰值隨頻率的增加先上升后下降，振后峰值對應的頻率較振前前移。圖2（d）中振幅峰值幾乎不隨頻率變化而變化，但振后的諧振帶比振前較窄。

通過監測振幅-時間曲線或振幅-頻率曲線的變化，即可定性判斷振動時效處理的效果。具體而言，目標構件的振動響應曲線出現了圖2 中的變化情況，即可認為實現了預期效果。

2 案例應用

2.1 固樁架主尺度介紹

如圖3 所示，目標固樁架長10.69 m，寬3.21 m，高1.88 m，整體由DH36 高強度鋼、EH36 高強度鋼、EH36 鍛鋼件、EH500 鍛鋼件等材料全熔透焊接而成，總重約為100 t。

圖3 固樁架

2.2 振動時效方案設計及應用

2.2.1 振動時效方案設計

本次使用的振動時效設備額定轉速范圍為2 000～8 000 r/min，可調偏心檔位180毅，共有12 個檔位；可處理構件參考重量為150 t 以內，目標固樁架重量約為100 t，此型號的振動時效儀可以適用于目標固裝架的振動時效處理。根據自升式風電安裝平臺固樁架結構焊接的特點，參考其他學者的研究經驗，確定工藝參數如下。

（1）支撐方式。固樁架下方用四塊方形枕木與地面支撐，枕木位于構件長度方向1/3 處和2/3 處，如圖4 所示。

圖4 固樁架支撐位置和電機放置示意圖

（2）激振點。振動電機固定在構件上方圓孔與邊沿交匯處，該位置緊鄰固樁架結構主焊縫，振動過程中激振力作用面與構件長度方向平行，如圖4所示。

（3） 激振偏心。振動時效設備可調偏心檔位180毅，共有12 個檔位，用于調整激振力的大小。

（4）激振頻率。通過掃頻法獲得構件的固有頻率。

（5）處理時間。振動時效處理時間為40～45min。根據現場查看固裝架的結構形式、重量、長度等因素，結合工作經驗和其他學者的研究成果分析判斷，固裝架本身構件的固有頻率應該在80～120 Hz左右。完成構件支撐和振動電機固定后，先用振動時效設備的手動功能進行試振，確定構件的振動頻率、電機偏心檔位、振幅等振動參數，振動時效設備的掃頻范圍是4 800 轉起始到8 000 轉結束，也就是最高頻率為133 Hz，根據試振得到的試驗數據設定振動相關參數，用振動時效設備的自動功能進行振動時效處理。預計固裝架構件會在振動電機4 800～7 200 轉左右時產生整體共振，偏心檔位選擇4 擋時動應力能滿足去應力要求。本次預計振動時間為40 min，振動開始的10 min 為應力降低最快的階段，10 min 后即進入穩定過程，此時振動處理根據固裝架的結構振動實際情況，可將振動電機選擇兩個位置各進行20 min 的振動處理，共計40 min，振動完成后自動繪制振動時效處理工藝特性曲線，按照《振動時效效果評定方法》（JB/T5926—2005）中的有關方法進行評定，并在振動完成后復測構件內的殘余應力水平、結構精度變化和焊縫上的無損檢測狀況，以確保工藝合格。

振動時效前后對固裝架主焊縫附近的殘余應力進行檢測，計算振動時效處理的應力消除率。盲孔法殘余應力測定位置如圖5 所示，在主焊縫根部選擇6 個測試點，用盲孔法進行振動時效前后的應力數據評定，為了保證測量點間不相互影響，相鄰兩個測量點之間的間距應大于15 mm。應力應變測量采用與振動時效儀器配套的某型號電阻應變儀。選擇的測試點位置位于構件一端圓孔外圓較大焊縫的根部，先打磨清理并拋光測試點表面，而后在目標檢測區域粘貼應力應變片，應變片貼好后接入實時監測儀器進行調試，調試完成后在應變片中心鉆孔測量該處的應力應變釋放情況，通過讀取鉆孔處的應變數值，利用式（1）至式（3）計算同一應力區域內振動時效前后的殘余應力，監測殘余應力值的變化。

圖5 應變片粘貼

2.2.2 振動時效技術應用

如圖6 所示，首先選定合適的構件支撐點，應用C 型夾具將激振器固定于試件指定位置，圖7 為用于控制電機振動參數的振動時效控制儀，先用振動時效設備的手動功能進行試振，確定構件的振動頻率、電機偏心檔位、加速度數值、振幅等振動參數，振動時效設備的掃頻范圍是2 000 轉起始到8 000 轉結束，也就是最低頻率為33 Hz 左右，最高頻率為133 Hz 左右，通過掃頻法進行手動試振，掃頻結束后確定構件的共振頻率約為97 Hz，此時激振器設定轉速為5 900 轉左右。使用4 檔偏心檔位產生的激振力大小可滿足目標固樁架消除殘余應力的要求，故采用該檔位進行振動時效處理。

圖6 固樁架振動電機放置圖

圖7 振動時效控制儀

在進行振動時效處理時，振動時效控制儀實時打印出振動時效曲線，由圖8（a）可知，振前振幅-轉速曲線的振幅峰值為15.4 G，由圖8（b）可知，振后振幅-轉速曲線的峰值為20.4 G，振后振幅-轉速曲線的峰值較振前明顯升高，曲線明顯變得更加光滑平順，說明經過振動時效處理以后構件內部的應力得到釋放，應力場重新分布，內部阻尼隨之減少，故振幅幅值顯著提升；振幅-轉速曲線的變化趨勢符合圖2（b）判斷標準，由此可定性判斷振后的固樁架構件已經達到了消除應力的效果。

圖8 振動時效曲線

從表1 中的殘余應力測量結果可以看出，振動時效前后固樁架的殘余應力水平有了顯著的降低，平均最大主應力消除率達到了46.28%，平均最小主應力消除率達到了45.14%，滿足《振動時效效果評定方法》（JB/T5926—2005） 中焊接構件應力消除率應大于30%的要求，由此可定量判斷振動時效處理的效果良好。

表1 固樁架振動時效前后殘余應力水平

如表2 所示，振動時效前后選擇了6 個檢測位置，將其X、Y、Z 3 個方向理論精度均設置為基準點0，坐標系方向見圖4，對其振動時效前后的精度變化進行測量，結果表明，振動時效前后結構精度的最大變化量絕對值為2 mm，變化量較小，尺寸穩定性較好。

表2 振動時效前后監測點精度變化表單位：mm

固樁架振動時效完成后，鑒于振動時效前固樁架無損檢測結果，對焊縫內部存在的可允許缺陷處，如微小的氣孔、未熔合等，進行了無損檢測復測，并對固樁架上大軸套、小軸套、止動塊等構件的連接焊縫處進行了無損檢測抽檢，確保振動時效后焊縫內外沒有出現裂紋等不可接受的缺陷，無損檢測結果良好，因此判定此次振動時效處理合格。

3 結 論

本文對自升式風電安裝平臺固樁架構件焊后進行振動時效處理，研究結果表明，在海洋工程領域采用振動時效處理技術消除焊接殘余應力是可行的，振動時效技術在海洋工程領域應用前景廣闊。振動時效處理可以起到降低殘余應力的作用，但不能將結構內部的殘余應力完全消除，因此，還需探索更加高效的方法，盡可能多地降低焊接殘余應力的水平，從而保證固樁架和齒輪箱結構的長期精度穩定性，提升結構的使用壽命。