振动时效技术在施工中的应用

振动时效技术在施工中的应用

摘要：根据振动时效消除残余应力的原理和方法，对于高强钢焊接岔管建议采用振动时效技术，并按标准进行残余应力消除率的评定，可有效提高工作效率及压力钢管钢岔管的使用性能。

关键词：振动时效处理实施方案消除率的评定

1、引言

针对焊接残余应力对水电站高强钢岔管性能的影响，介绍了振动时效消除残余应力的原理和方法、磁弹法应力测试技术和方法以及评价准则。高强钢焊接岔管如有消除残余应力的要求，建议采用振动时效技术，并按照标准jb/t5926-1998《振动时效工艺参数选择及技术要求》进行残余应力消除率的评定。振动时效技术可有效地提高工作效率，改善水电站高强钢岔管的使用性能。

岔管振动时效技术包含3个主要内容，即：(1)对岔管进行振动时效处理。依据标准对振动时效的效果做出定性的评价。(2)振动时效前后分别进行残余应力测试。通过对振动时效前后残余应力状况的分析对比,对岔管的残余应力水平进行定量的评价。(3)时效前后分别进行无损探伤检测。判断时效前后焊缝及母材有无缺陷扩展,并在时效前后分别对岔管位置进行观测,判断振动时效后岔管是否发生位移。

2、振动时效消除残余应力的原理

为了降低和均化焊接构件的残余应力，保持构件的尺寸精度，生产上采用的方法大致可分为2大类。(1)使内应力大量消除。如热

时效(将构件加热到520～550℃保温一段时间然后缓慢冷却至室温)一般可以消除残余应力的50%～80%。(2)提高构件的松弛刚度。如自然时效和加载处理等。振动时效的作用是以上2类时效方法综合的结果,它不仅大量消除和均化焊接构件的残余应力(降低残余应

力35%～55%),而且还可以有效地提高构件的松弛刚度和抗动载荷

变形能力。

振动时效,国外称之为“v.s.r”(vibratorystressrelief)技术，它是指夹持在工件上的激振器产生周期性激振力,在其作用下,使

构件达到共振状态,松弛工件的残余应力,保持工件尺寸稳定的方法。振动时效是热时效的补充和发展,可在很大范围内代替热时效。振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加,使构件局部产生塑性变形而释放应力。残余应力是作为平均应力提高周期动应力水平而起作用。振动处理是对构件施加一交变应力,如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服

极限时,这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移,尽管宏观上没有达到材料的屈服极限,也同样会产生微

观的塑性变形,况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上。因此,使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力,这就是采用振动时效消除残余应力的机理。

经过振动处理的构件其残余应力可以被消除30%以上,高应力区

消除率比低应力区大。构件经过振动时效后,可以提高使用寿命,降低应力腐蚀;与热时效和自然时效相比,可以防止或减少由于热处

理、焊接等工艺过程造成的微观裂纹的发生。根据国内有关研究资料表明,经过振动时效处理的工件抗静载荷变形能力提高35%以上,抗动载荷变形能力可提高1～3倍。因此,振动时效可以提高构件抗变形的能力,稳定构件的精度。振动时效具有较强的实用性。

振动时效由于设备简单,易于搬动,因此可以在任何场地进行现场处理,它不受构件大小和材料的限制,从几十公斤到上百吨的构件都可使用振动时效技术。特别是对于一些大型构件无法使用热时效处理时,振动时效就具有更加突出的优越性。振动时效通常仅需30min,最长不超过50min,即可转入下道工序,而自然时效周期要半年以上,热时效至少也需1～2d以上,且需大量的煤油、电等能源,因此,相对于热时效而言,振动时效可节省时间、能源和费用,特别是可以节省建造大型焖火窑的巨大投资。同时，振动时效只消耗少量的电能，所以没有环境污染。

振动时效可替代传统的自然时效和热时效，被广泛应用于冶金、机械行业焊接等金属构件的时效处理，它具有高效节能、无污染、设备投资少、操作简单、不受生产场地限制等显著特点。

3、钢岔管振动时效实施方案

根据振动时效的要求，受振工件应放置在弹性支撑上，并且支撑点处于工件受迫振动的节线处，在现场现有的条件下，对岔管安装时布置的撑进行改造，将所有的支撑物与岔管之间加垫橡胶垫，保证岔管与原支撑脱离刚性连接并在振动时效过程中不再对支撑位置进行调整。

岔管现有的支撑形式会对振动能量的传递带来一定的阻尼，为消除这种不利影响，根据岔管这种薄壳结构形式，可采取多点激振的方法，保证岔管各部分都能获得足够的振动能量。

在多点振动的同时，每个激振点还要采取逐级增大动应力的多次振动，在低档时消除高值残余应力，在高档时消除低值残余应力。这样既保证残余应力的降低率符合标准要求，又可避免动应力与残余应力叠加后超过材料的强度极限而造成强度破坏或原有缺陷的

扩展。

同时，施振过程中，在岔管底部观察支撑受力变化情况，制定措施，确保岔管的安全。

4、振动时效方案的实施步骤

4、1振动时效前的准备工作

(1)现场整理。清理出地平，预留出放置仪器的场地和人员通道。

(2)改造岔管支撑。拆除岔管安装的刚性支撑，将橡胶垫塞入支撑与岔管管壁之间，顶紧压实。对薄弱支撑进行加固，所有支撑与岔管管壁脱离。(3)现场准备220v电源。现场施工用电量大，焊机及设备启动频繁，对仪器运行操作存在不利影响，因此，测试工作尽量安排在工人午间休息进行。(4)振动时效前对岔管焊缝外观检测和表面磁粉检测。消除焊缝成型不良和表面裂纹的影响。(5)振动时效前对岔管焊缝内部质量超声波探伤检测。消除焊缝内部超标缺陷,并对记录缺陷进行跟踪。(6)振动时效前岔管残余应力测试。测试前选取与岔管模型相同的材料，按照同样的焊接工艺制作标定试

样(标定试样由业主提供)，标定应用悬臂梁逐级加载法，记录不同应力水平的磁噪声mp值。钢岔管测试部位按焊缝分布情况及应力分布情况确定，原则上每条焊缝不少于2处。位置确定后，用白色记号笔标记出测试部位并编号，所有被测部位不得有涂层、飞溅及污物，打磨后电解抛光。采用磁弹法测试残余应力并记录测试结果。

(7)振动时效前岔管管口位置检测。时效前在岔管上游管口处测量管口错边量并记录。

4、2实施振动时效

(1)确定激振点、拾振点位置。根据机械振动理论，分析判断构件可能的共振频率及构件在激振频率范围内可能出现的振型，在此基础上，选择激振设备的频率范围，确定支撑点、激振点、拾振点等位置。支撑点选择在波节处(工件在自由振动时振幅最小处)或附近，激振点选择在被振工件的波峰处(工件在自由振动时振幅最大处)或附近，拾振器应固定在远离激振器且能反映主振频率振型最大振幅处或附近，其方向应与振动方向一致。经计算分析，岔管的谐振频率估计在3500～4500r/min左右，振型为弯扭振型，节点在岔管横截面时钟位置5点、7点附近,波峰在岔管顶部。根据以上分析，选用2000～8000r/min的激振设备应能激起工件的谐振响应。激振点选择在岔管顶面加劲环上以便于装卡，同时又易于引起谐振响应，初步确定在岔管最大直径处周围的3个加劲环上各设一个激振点，并根据时效效果对激振点有所增减或变更位置；拾振器放在岔管顶部距激振点约2～3m处。(2)安装激振器及拾振器。将激振