大型海工结构现场焊后热处理(PWHT)与振动时效(VSR)的对比

吴凤民， 赖柏豪， 张永康*

(1. 启东中远海运海洋工程有限公司， 江苏 南通 226200；2. 广东工业大学 机电工程学院， 广东 广州 510006)

0 引 言

我国将海上风力发电作为解决能源危机、降低环境污染、减缓气候变化、实现“双碳目标”国家战略的途径之一。随着风机大型化、风电场也越来越深水远岸化和大型规模化。深水区海上风电场海况极端恶劣，水深、风大、浪高、流急、海底环境复杂、远离海岸等，这使建设大型海上风电场面临着极大的挑战。超大型自升式风机安装平台是海上风电场建设的核心装备。由于风机安装成本占整个风电场建设的近1/3，因此安装效率高、载运量大的自升式安装平台是降低海上风电成本的有效途径之一。本项目研制的超大型风机安装平台需要频繁地自航(见图1)并将质量超过2万t的平台自升至海平面以上(见图2)。在飓风、浪溅、暗流和复杂海底地质等恶劣环境的影响下，质量超过2万t、长度近140 m的巨型平台在深水区自升降和站立作业时易失稳倾覆[1]。为保证平台的站立稳定性，对巨长巨重桩腿的焊接变形提出苛刻的要求，变形量须小于0.000 5 rad，即直线度小于5 mm/10 m，焊接变形控制难度成倍增加，成为全球同行业的共性技术瓶颈。海上风力发电安装平台/船建造中的关键工艺是焊接，焊接质量直接影响装备的整体质量。探索任何降低焊接应力、减小焊接变形的新方法都具有重要的工程应用价值和学术价值。

图1 自航到作业海域

图2 自升站稳和风机安装

振动时效(Vibration Stress Relief，VSR)采用共振的原理——在激振器周期性外力的作用下，当施加给工件的动应力大于或等于材料的屈服极限即工件与激振器的频率相叠加时产生共振，在共振状态下工件内受约束的分子发生位错滑移，从而使一大部分焊接应力得到释放，余下部分的焊接应力经过20～40 min的调整后部分处于均化状态[2]。VSR可使焊接应力降低或均化，高应力区降低的比例大一些，VSR具有生产周期短、环境污染小、生产成本低、工件尺寸精度高等诸多优点。

针对大型海工结构件焊后热处理(Post Weld Heat Treatment，PWHT)的低效性和局限性，对某海上风电安装平台100 t小起重机基座法兰筒体进行VSR处理，使用盲孔法测量处理前后的应力。

1 PWHT试验

表1 试验件PWHT前后应力计算结果

计算现场PWHT前后各监测点的残余应力离散度和应力均化率[7]：

(1)

(2)

(3)

由表1可知：对起重机底座进行PWHT，应力消除效果不佳，平均应力消除率仅14.70%，且应力均化率为-5.94%，表明PWHT后残余应力的离散度更高，并未起到应力均化的作用。

2 法兰筒体VSR处理方案

采用VSR进行应力消除，依据标准为《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求(JB/T 10375—2002)》[8]、 《振动时效工艺参数选择及效果评定方法(GB/T 25712—2010)》[9]。VSR处理设备组成如图3所示。激振设备主控制系统由最初的指针式仪表显示发展到数码管显示，直到创新发展到现在液晶彩显触摸屏显示，功能由原有的只能手动VSR处理发展到现在采用高速发展计算机技术的全微机控制全自动VSR。激振电机由最初的他励式直流电机提供振动源，创新发展到应用永磁直流电机和交流电机提供振动原动力。电机由笨重发展到小巧方便易于装卡适用于工艺实施，且具有激振力大、故障率低、操作容易等优点。小起重机基座法兰筒体如图4所示，单件重约21 t，共4件。具体实施过程包括：设备准备-振动前应力测量-VSR操作-VSR结束后的应力测量。

图3 振动设备示例

图4 法兰筒体单件

2.1 测点的选择

根据小起重机基座法兰筒体的形状、焊缝的分布，每件基座选择6个点作为振动前后应力降低及均化情况的检测点，分别在法兰与筒体焊缝的交汇处对称选4个点，在筒体和法兰焊缝的根部对称选2个点。测点选择后分别用数字标记以利于记录各测点的应变数据。测点选择分布如图5所示。

图5 应力测点的选择

2.2 振前、振后残余应力测量方法

采用盲孔法进行VSR前的应力测量；在应变片粘接过程中，应保证测试点光滑清洁，对测试点表面进行打磨并使用酒精清洁；在应变片调整过程中，将测试线焊于接线端子上0°、45°、90°(每个角度有2根测试线)；将剩余的测试线剪断。软钎焊连接数据线：0°接在CH1上的A、B；45°接在CH2上的A、B；90°接在CH3上的A、B；补偿线接在另外某一点的A、B。电烙铁焊接数据线：将0°、45°、90°数据线焊于对应的测试点接线端子上，将补偿线暂时焊接在任意一组应变片上(当测试此点时，将补偿线换一片焊接)，将静态应变仪清零，通道1、2、3(自动平衡)。将电钻调置到每分钟200 r/min，将钻孔专用装置吸附在测点附近，调整钻孔装置的位置以及钻头的位置和角度使钻头对中应变片的钻孔标记处，接通钻机电源开始钻孔，钻孔深度为2 mm(钻孔前用深度尺在钻机上标记深度)。在钻孔的同时应变仪会采集由钻孔测点所释放3个方向的应变，静态应变仪记录振前值，依次记录每个孔的应变。

2.3 VSR处理

将激振器牢固地装卡在小起重机基座的波峰处(2条枕木形成的扇面中间)。装卡激振器需用专用C型卡具卡紧以防止共振后松动致使激振器脱落损坏。连接VSR仪与激振器各连接线，把拾振器吸附在远离激振器和支撑枕木的波峰处后，开始试振被振工件，对激振频率、振幅、电机工作电流等参数进行匹配，防止假VSR确定激振器的挡位(偏心量)也就是施加给被振工件的激振动应力。确定1号和2号小起重机基座用6挡、3号用8挡、4号用10挡能激起工件的亚共振响应，符合VSR工艺和相关标准的要求。

在激振器挡位确定后用设备智能工作模式振动处理小起重机基座结构VSR，智能模式开始工作后，激振器(振动电机)自动升速进行振前扫频，当电机升速产生的频率与小起重机基座的固有频率大致相当时产生亚共振。此时设备自动采集共振峰后返回至该峰值的前沿进行VSR处理，此时预置时间为30 min。当VSR处理30 min后，设备返回至起始转速进行振动后的扫频处理，振后扫频结束后打印参数曲线图完成VSR工艺。此次振动处理为保证振动效果采取二次振动的处理工艺，既在VSR仪自动振动处理30 min后，将激振器调至装卡位置的对侧再次振动处理20 min(振动处理过程与一次振动相同)。经过2次共50 min的振动完成小起重机基座结构VSR。

2.4 VSR工艺优化

2.4.1 激振应力调整

在振动过程中施加在金属构件各部分的动应力与内部残余应力相叠加，当叠加幅值大于金属构件的屈服极限时，在位错等缺陷处晶格滑移，产生微小的塑性变形，达到释放残余应力的目的。法兰筒体的材料为高强钢E420，其屈服极限为420 MPa，调整振动参数使激振产生约300 MPa的动应力，而法兰筒体内部的残余应力为130～150 MPa，激振后的叠加幅值大于法兰筒体的屈服极限。

2.4.2 激振频率调整

通过扫频测试得到法兰筒体的一阶振动频率为63.23 Hz，直接采取该频率进行VSR处理后发现实际残余应力消除效果并不理想。这是由于试件在振动处理过程中固有频率向低频方向转移。调整后当采用亚共振激振频率，约为原试件一阶振动频率的4/5，即激振频率为50.58 Hz时，产生了比使用按试件一阶振动频率设定的激振频率更大的激振动应力。

2.4.3 避免假振动

工件未发生共振或振幅很小或者虽然振幅较大，但工件整体进行刚体振动或摆动，全自动VSR设备也能按照预置的程序打印或输出各种时效参数、曲线，工件根本没有达到时效的效果。为避免这种假共振，应使支撑工件的材料具有一定的弹性，使用弹性胶垫或木板支撑法兰筒体，而不可使用金属支架或将工件直接置于地面上。

2.4.4 测试点位置选取

残余应力测试的节点应置处于法兰筒体的振幅最小处，激振器位于法兰筒体振幅的最大处，加速度传感器位于远离激振器且振幅较大的位置处。为达到最佳的应力消除效果，应将激振器置于法兰与筒体焊缝交会处，即法兰筒体的应力集中位置。为了使残余应力测试的节点位于波谷，成为稳定、具有弹性的支点，应将支撑木板(或橡胶)放在应力集中区两侧。

2.4.5 避免过振动和误振动

若不针对工件个性采用合理的时效参数，完全照盲目预置的参数对工件进行VSR，则可能会使共振过于强烈或振幅过大，这会导致工件内部的缺陷(裂纹、夹渣、气孔、缩松等)继续扩大、撕裂，甚至报废的严重后果。在误振动状态下，工件虽然产生共振，但是发生的振型与工件所需要的振型不一致，动应力没有加到工件需要去应力的部位，这样不能使工件达到预期的时效目的，影响时效的效果。因此，应根据法兰筒体试件现场实时调整激振器参数。

3 VSR应力消除分析

依据第2.2节所述的盲孔法测量VSR处理后的应变数据，整理应变数据并计算应力、应力消除率和均化率[4]，得到VSR消应力的效果如表2～表5所示，并根据式(1)～式(3)所述的应力均化率计算方法，求得1号～4号基座的应力均化率如表6所示。

表2 1号基座VSR效果

表3 2号基座VSR效果

表4 3号基座VSR效果

表5 4号基座VSR效果

表6 1号～4号基座VSR应力均化率

由表2～表5可知：对4个起重机基座进行VSR处理后，平均应力消除率为37.32%～46.03%，达到了应力消除率超过30%的目标，VSR比PWHT具有更好的应力消除效果。由表6可知，VSR处理后有应力均化的效果，应力均化程度为25.34%～55.79%，可以有效地避免大型构件应力集中的现象。

4 VSR经济效益分析

(1) 从直接经济效应的角度进行分析。4个小起重机基座，单重为21 t，总重为84 t。按照传统的热处理方法进行消除应力处理费用估算：外协整体热处理费用按照1 500元/t，需126 000元；运输按照长途吨公里运价0.6元(200 km)计算，需10 080元；人工按照50元/h/人计算，折合为1人，共1个工作日，需400元。上述费用共计136 480元(税前)。VSR处理费用：VSR为2 400元/个小起重机基座；前后2次应力测试及报告费用为1 600元/个小起重机基座；人员见证/配合按3个工作日、100元/h/人计算，需2 400元。VSR处理费用共计18 400元(税前)。直接节约资金118 080元。

(2) 从生产效率的角度进行分析。使用VSR处理消除应力具有较强的适用性。VSR处理设备轻便灵活、搬运方便，受场地、处理工件大小、处理工件材料的限制非常小，从几十公斤至几十吨的构件都可使用VSR技术。对于不易进行PWHT的大型构件，VSR具有更加突出的优越性。从经济效益的角度的分析，VSR节省时间、能源和费用。在本实例中，对4件21 t的起重机法兰筒节进行VSR只需3个工作日，即可进行下道工序。因此，相对于PWHT来说，VSR不仅节能，而且节省建造大型焖火窑的巨大投资。

5 结 论

针对海工大型构件风电安装平台的小起重机法兰筒体使用PWHT消除残余应力效果差、经济效益低的现状，使用VSR法对小起重机法兰筒体进行去应力处理，并根据该试件焊接应力大、结构复杂、重量大不易搬动的特征对VSR方法进行优化，得到如下结论：

(1) 对起重机基座进行VSR处理后，平均应力消除率为37.32%～46.03%，达到应力消除率超过30%的目标，比PWHT具有更好的应力消除效果。且VSR处理后有应力均化的效果，应力均化程度为25.34%～55.79%，可有效地避免大型构件应力集中的现象。

(2) 对起重机法兰筒体进行VSR处理，应使激振频率位于试件的压共振频率，激振力和残余应力的叠加幅值大于法兰筒体的屈服极限。为避免假共振，应使支撑工件的材料具有一定的弹性，使用弹性胶垫或木板支撑法兰筒体，而不可使用金属支架或将工件直接置于地面上。使残余应力测试的节点位于波谷，成为稳定、具有弹性的支点，应将支撑木板(或橡胶)放在应力集中区的两侧。

(3) VSR产生了明显的经济效应，比PWHT方案直接节约资金118 080元，且VSR设备相较PWHT方案节能、便捷、高效。

对于现场具有复杂结构的大型构件、高强度厚壁结构件，VSR去应力的优势尤为明显，同时VSR可以降本增效、更加环保，在海洋工程结构中具有很好的应用前景和推广价值。但应注意，对于一些包含部分熔透焊缝或填角焊缝的厚壁构件，应考虑造成质量事故的可能，须谨慎采用VSR方法。