振动时效技术在水电站岔管消应力上的应用

2010-04-17郑必刚

科技传播 2010年6期

郑必刚

云南省国电小龙潭电厂，云南开远 661600

0 引言

南门峡电站位于红河州金平县金水河下游段，总装机容量2×1.2万千瓦，为引水式水电站，设计水头200m，一管二机布置，压力钢管出口处的钢岔管为丫形岔管，岔管采用16MnR钢板卷拼焊接成型，焊条采用E5015。岔管壁厚34mm，月牙肋厚度60mm，材质为16MnR，分岔角120，岔管总重10t，主管直径1.8m，支管直径1m。

为了满足工程设计要求和运行的安全性，岔管应进行消除应力处理，通过对消应力的各种方案分析、论证，决定采用振动时效消应方案。

1 项目内容

岔管振动时效消应力包含：1）对岔管进行振动时效处理，依据标准对振动消应效果做出定性评价；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，对岔管振动消应效果进行定量评价；3）时效前后分别进行无损探伤检查，判断振动消应力后焊缝及母材有无缺陷或缺陷扩展，并在时效前后分别对岔管尺寸进行检测，判断振动时效后岔管是否发生变形。

2 振动时效消除残余应力的原理

振动时效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，松弛构件的残余应力，保持工件尺寸稳定的方法。它是热时效的补充和发展，可在很大范围内代替热时效。振动时效消应力是对构件施加交变应力，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。

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，从几十千克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和较强的实用性。

工件振动时间通常仅需半小时，最长不超过50min即可转入下道工序，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，无污染，具有高效节能、设备投资少、操作简单、不受生产场地限制等显著特点。

3 岔管振动时效实施方案

金平南门峡电站岔管的最大外形尺寸为2m×4m。所用钢材σa=550MPa，岔管的制作工作在开远电力修造厂完成。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。具体方案是在6m×6m的工作平台上用型钢将支撑接起来（平台重约30t），离开工作平台高度为100mm，将所有的支撑物与岔管之间用厚度50mm的橡胶垫层隔开，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。同时，为了解决岔管在振动时效时可能发生的位移，距岔管管口位置10mm采用挡板限位。

4 方案的实施步骤

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1500～3000r/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1000～4000r/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二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200～500mm处。

2）安装激振器及拾振器：将激振器底座与钢岔管顶部加劲环刚性连接，并用专用卡具卡紧。接触面要良好，然后将偏心调到1档，连接好激振器与控制器之间的连线。拾振器放在岔管顶部距激振点约200～500mm并有明显振感的地方，连接好加速度信号线。

3）试振：根据估计的谐振频率。将最高转速设为3000r/rain，偏心档暂选定在1档，时效时间设为2～3min，开始试振，激振器由1500r/min开始扫频，看一阶、二阶、三阶谐振频率及位移幅各为多少，设备自动选择电流和加速度值最大时相对应的谐振频率为主振频率。在以主振频率激振时，工件会发出较大的嗡嗡声，此时往岔管上撒一些沙子，沙子会剧烈的跳动，沙子聚拢处为波节，反之为波峰。也可通过变化拾振器的位置来检测波峰、波节位置，根据试振情况对激振点和拾振点的位置加以调整，使之更为合理。

4）正式振动。在试振的基础上确定正式振动时的时效参数，如主振频率、时效阶数、最高转速、时效时间、偏心挡位等。主振频率可从试振时的扫频曲线得知；时效阶数一般选一阶和二阶，如果二阶谐振时的振幅较小，则只选一阶谐振；最高转速应高于谐振频率100～300r/min；时效时间不宜过长，因为，在以主振频率开始振动后的3～5min内，时间一振幅曲线变化明显，之后则逐渐变平(变化很小)。一般情况下，时问一振幅曲线变平后的5～10min内应结束振动，因此每次振动时间以不超过15min为宜；在第一次正式振动时，偏心挡位可选取较低的挡位(1～2挡)，以较小的动应力来消除高值残余应力，然后逐级调高挡位。

5）振动参数记录：在正式振动时，应记录有关参数并打印出测试曲线及数据。

5 振动时效效果评定

5.1 定性评定

依据标准，采用参数曲线观测法进行定性评定。

1）南门峡电站岔管振动时效支撑点、激振点位置布置如图所示。说明：图1中虚框及数字表示支撑点位置及其序号，图中实心黑点表示激振器位置。

图1

图2 —■振前峰值应力 —振后峰值应力

2）南门峡五级站岔管振动时效结果综合评定：岔管各激振点振动时效前后的扫频曲线发生了变化，加速度转速曲线(a-n曲线)左移，振幅升高，说明固有频率下降，阻尼减小；加速度时间曲线(a-t曲线)也发生了变化，加速度幅值升高或降低后趋于平稳；根据JB／T59261998《振动时效工艺参数选择及技术要求》的第4.1.2款和JB／T10375 2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》的第6.1款之规定可判定岔管的振动时效已取得效果。