毛尔盖水电站岔管振动时效消应技术的应用

杨小军 ，李忠富

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前 言

毛尔盖水电站位于四川阿坝藏族羌族自治州黑水县境内黑水河中游红岩乡至俄石坝河段，是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第3梯级电站。该电站为大(2)型引水式单一发电工程。厂内安装3台混流式发电机组，单机引用流量72.90m3/s，单机容量140MW，总装机容量420MW。

压力钢管材料为B610CF高强钢。压力钢管由上平段、斜井段、下平段和岔支段组成，主管内径7.0m，长约386m，支管内径4.0m，长约156m。主管上平段长 72.3m，斜井段长(含上、下弯段)212.8m，与水平面呈55°夹角，下平段长99.5m，钢管总重3 389t。

压力钢管岔管有2个，为1号岔管和2号岔管。1号岔管钢板板厚60mm，肋板板厚120mm，进口接厚56mm主管，出口分别接岔支管和3号支管，岔管分叉角60°，公切球半径362cm，重量约为180t;2号岔管钢板板厚52mm，肋板板厚100mm，进口接岔支管，出口分别接1号支管和2号支管，岔管分叉角60°，公切球半径327cm，重量约为130t。1号岔管和2号岔管分别由3个基本锥(A锥、B锥、C锥)和一个月牙肋组成。为了方便运输以及安装，岔管在制作场组焊接成5块单元运输到现场进行安装，而A锥和B锥各预留一条环缝在现场进行焊接。

2 岔管振动时效消应

岔管在焊接过程中，由于受热、冷、机械变形作用，在岔管内部将产生残余应力，致使岔管处于不平稳状态，降低岔管的尺寸稳定性和机械物理性能，使岔管在使用过程中产生应力变形和失效，尺寸精度得不到保证，因此岔管焊接完成后必须消除其内部的残余应力。消除岔管残余应力的方式主要有水压试验、热时效、自然时效和振动时效。热时效因岔管体积大施工现场不具备处理条件;自然时效的周期较长，一般需要半年或更长时间，而毛尔盖压力钢管安装完成后距投入使用仅两个多月，采取自然时效时间无法保证;水压试验措施相对比较复杂，需要设计安装闷头、采取临时钢管加固措施且存在较大风险;振动时效处理具有周期短、效率高、无污染等特点。为此，毛尔盖水电站消除岔管残余应力最后采用振动时效的方式。

振动消除应力简称VSR(Vibratory Stress Relief)，它是利用一受控振动能量对金属岔管进行处理，达到消除岔管残余应力的目的。

振动时效消应的实质就是通过振动的形式施于岔管一个动应力，当振动应力与岔管内部的残余应力叠加后，应力集中严重的部位达到材料的屈服极限时，便会使岔管产生宏观或微观的弹性塑性变形，从而使造成残余应力的歪曲晶格被渐渐地恢复平衡状态，晶粒内部的位错逐渐滑移并重新缠绕钉扎，使得残余应力得以消除和均化，以增加岔管的使用寿命。零件在振动处理后残余应力通常可降低20%～30%，有时可达50% ～60%，同时也可使峰值应力降低，使应力分布均化。

2.1 振动时效系统

振动时效系统主要由主机、激振器、拾振器等组成(见图1)。

图1 振动时效系统工艺原理

各设备功能如下:

主机:控制激振器电机，识别、处理、显示、打印参数;

激振器:强迫岔管振动并反馈给主机电机转速或激振频率;

拾振器:把振动响应如加速度等反馈到主机;

卡具:把激振器固定在岔管上;

胶垫:隔振、降噪。

2.2 振动时效方案

岔管振动时效处理设备选用的是济南西格马科技有限公司生产的SSIN80A先哲型真彩液晶振动时效系统。

在时效处理时，必须将岔管与支撑可靠隔离，使岔管保持自由状态，防止振动能量传入地面或洞壁。本电站采用的是将旧橡胶轮胎放置在岔管与支撑之间(见图2)。

根据岔管的形态结构，估算其固有频率，初步将岔管的激振点放置在月牙肋上，拾振点放置在焊缝上，支撑点、激振点、拾振点的布置见图3。拾振点视其显示波形及数据再作相应调整。

图2 岔管支撑示意

图3 岔管振动时效处理示意

2.3 振动时效消应的主要步骤

首先分析判断出岔管在激振频率范围内的振型，选择振动时效装置;再进行岔管支撑、激振器和拾振器、应变片安装布置;最后进行岔管的试振、主振，记录振幅频率曲线，分析振后效果。

2.3.1 振动时效消应前的准备工作

(1)先分析判断岔管在激振频率范围内的振型，选择振动时效装置。装置的最大激振频率应大于岔管的最低固有频率;装置的激振力应能使岔管内产生的最大动应力为工作应力的1/3～2/3;装置应具备自动扫频、自动记录扫频曲线、指示振动加速度值和电机电流值的功能，稳速精度应达到±1 r/min。

(2)支撑岔管、装卡激振器和拾振器。为了使岔管处于自由状态，先在岔管底部浇筑6个混凝土支墩，然后把与岔管连接的支管、岔支管的支撑用点焊割开，再用6个30t千斤顶在混凝土基础上支撑起岔管，最后用旧橡胶轮胎将岔管与钢支撑隔开，形成6个弹性的鞍形支撑岔管。支撑位置尽量选在主振频率的节线处或附近;激振器应刚性地固定在岔管的刚度较强或振幅较大处，固定处应平整;由于钢岔管属于特大岔管，在其振动响应薄弱的部位应进行补振。拾振器固装在远离激振器且振幅较大处。

岔管焊接残余应力一般在C型节的环缝、月牙肋焊缝及A型节、B型节的环缝上。由于1号岔管是主岔管，管径大、管壁厚，作为振动时效的重点对象，选择了2个激振点。2号岔管由于相对较小，只选择了1个激振点。

振动位置分别选取两处激振点和两处拾振点。第一种是激振点位于岔管内月牙肋下部，拾振点位于左侧锥管左腰下位置;第二种是激振点位于岔管内主管位置，通过焊接上一个板凳状装置，将激振器固定于其上，拾振器位于右侧锥管右腰下位置。

测点布置:根据标准要求，每个岔管的测点数不得少于5个，测点位置根据经验选取，尽量选择焊接应力可能较高的部位(如月牙肋组合焊缝、C型节的环缝、A型节的环缝和B型节的环缝)。

(3)应变片的布置。按照经验，岔管应力较大的位置应在焊缝集中的部位，故分别在主管环缝、锥管环缝、支管环缝、正腰梁、斜腰梁、U形梁等部位各选择一个点，进行打磨，贴上应变片，最后进行钻孔。盲孔法钻孔设备为ZDL－1型钻孔仪，应变片为BE120－2CA－K型三向应变花，应变仪为YC－Ⅲ型应力测量仪，钻孔直径1.5mm，孔深2.0mm。

2.3.2 振动时效消应前的检测

为判断振动时效处理的效果，需要在振动前后分别进行探伤、应力测试、位置测试。

振动时效消应前首先对岔管进行了超声波及TOFD无损检测，焊缝没有超过标准规定的缩孔、夹渣、裂纹及虚焊等缺陷，一次合格率达98%。再对岔管的残余应力进行了测试，1号、2号岔管测试结果分别见表1、2。其中ε1表示沿焊缝方向的应变，ε3表示垂直于焊缝方向的应变，ε2表示与ε1、ε3成45°夹角方向的应变，σ1、σ2为最大、最小主应力，θ为主应力σ1与焊缝中心线逆时针方向的夹角。

表1 1号岔管振动时效前残余应力测试数据

表2 2号岔管振动时效前残余应力测试数据

2.3.3 振动时效消应的实施

2.3.3.1 岔管的试振

岔管存在缩孔、夹渣、裂纹、虚焊等严重缺陷的不允许试振。选择激振器偏心档位，应满足使岔管产生较大振幅和装置不过载的要求，必要时先用手动旋钮寻找合适的偏心档位。第一次扫频，记录岔管的振幅频率曲线，测出各阶共振频率值、节线位置、波峰位置。必要时通过调整支撑点、激振点和拾振点的位置来激起较多的振型。测定1～3个共振峰大的频率在共振时的动应力峰值的大小。选择动应力大、频率低的共振频率作为主振频率。

按主振频率的振型调整支撑、拾振位置。

2.3.3.2 岔管的主振

在亚共振区内选择与主振峰峰值的1/3～2/3所对应的频率主振岔管。主振时装置的偏心档位应使岔管的动应力峰值达到工作应力的1/3～2/3，并使装置的输出功率不超过额定功率的80%。进行振前扫频，记录振前的振幅频率曲线。

主振岔管，记录振幅时间曲线。

起振后振幅时间曲线上的振幅上升，然后变平或上升后下降然后再变平，从变平开始稳定3～5min为振动截止时间，一般累计振动时间不超过40min。进行振后扫频，记录振幅频率曲线。

可视岔管具体情况，适当调整支撑点、拾振点位置。

2.3.4 振动时效消应后的检测

振动时效消应后，再次对岔管进行超声波及TOFD无损检测，对残余应力进行测试。1号、2号岔管测试结果分别见表3、4。

表3 1号岔管振动时效后残余应力测试数据

表4 2号岔管振动时效后残余应力测试数据

2.3.5 消应结果及分析处理

从1号、2号岔管振动时效消应前后的无损检测来看，未发现焊缝内部缺陷的扩散和表面裂纹。从岔管振动时效前后的应力对照来看(见表5)，应力降低点位最大为60.3%，最小的为－4.7%，1号、2号岔管应力降低平均值分别为35%、31.5%。

表5 岔管振动时效前后的应力对照及降低率 MPa

3 结 语

从岔管振动前后的焊缝外观及内部质量的无损检测和残余应力降低率来看，1号岔管平均应力消除效果达到35%，2号岔管平均应力消除效果达到31.5%，均满足JB/T5926－91《振动时效工艺参数选择及技术要求》、JB/T10375－2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》规范的相关要求(大于30%)。从水电站运行情况来看，目前首台机组投运已稳定运行了近一年，压力钢管及岔管的运行情况正常良好，说明岔管振动消应取得了成功，为岔管的长期安全运行提供了可靠保证。