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水電站鋼岔管焊接應力檢測及振動時效消除焊接應力

更新時間:2020/12/19  點擊數:661


岔管焊接應力危害分析
水電站鋼岔管在制造安裝過程中會產生很高的殘余應力, 高者可以達到金屬材料的屈服極限附近,并表現出很大的有害作用。
水電站鋼岔管由于長期在水及潮濕空氣、泥沙等多介質環境下運行, 殘余應力的首要危害就表現為應力腐蝕(也稱為應力腐蝕斷裂),即金屬在拉伸應力和化學介質的聯合作用下并按持有機
理產生的低應力脆斷現象(常用 SCC 表示)。 在水工金屬結構領域, 預防應力腐蝕的最常用的工業措施就是降低殘余應力和金屬表面防腐蝕涂敷。
在水電站鋼岔管的工程實踐中, 殘余應力另一直接危害則是金屬結構脆性斷裂。 金屬脆斷經常都是突然發生而且引發嚴重的后果 (如岔管報廢),這在工程上是應該嚴格避免的。 防止金屬脆性斷裂的方法, 首先是科學合理的設計焊接細部構造。 水電站鋼岔管是一種比較不利的焊接構造,所以岔管發生金屬脆性斷裂 (如岔管分岔部位開裂或月牙肋層狀撕裂)的現象并不少見。 由此,控
制殘余應力和預防初始裂紋(如焊接缺陷控制)已經是水電站鋼岔管必需的制造工藝措施。
現有研究表明,焊接結構疲勞抗力的降低,更多的是由焊接缺陷、 應力集中及晶粒組織粗化所導致; 而水工金屬結構更為關注的則是在交變載荷和腐蝕聯合作用下所引發的腐蝕疲勞問題。

振動時效工藝方案
鋼岔管振動時效在水電站安裝工地引水隧洞 的現場進行。
 鋼岔管的支撐固定:岔管連同椎管、與岔管連 接的部分主管及支管的管節,工件總重約 200t,結 合工程實際條件,采用“多點連續彈性支撐”,間隔 在節點處放置彈性支撐 (實 際 大 部 分 為 槽 鋼 支 撐),鋼岔管的支撐應以平穩為準。 本次結合工程實際條件, 鋼岔管整體振動時 效消應處理工藝試驗,采用“單點異頻”3 次激振的 工藝處理方案, 即: 在岔管支管內底部分岔部位 (固定于 A 處)架設“激振器”進行不同激振頻率的 振動時效工藝處理。 掃頻:在對鋼岔管進行支撐穩定后,分別把激 振器和拾振器固定在合適的位置, 調節激振器的 偏心位置,對鋼岔管進行全程掃頻,以獲取鋼岔管 的固有頻率。

振動時效工藝參數選擇
經掃頻試振, 確定將激振器固定于分岔點底 部 A 處內管壁上,拾振點 B 為岔支管內壁之上;確 定激振器偏心號數 8―9 檔; 施振頻率 6 772―6 872rpm。 時效工藝參數選擇詳見圖 2 及表 2 所示。

振動時效處理
均采用振前掃描獲取時效工藝參數, 分別進 行了 8min、8min、7min 的 3 次振動時效處理。 詳見 表 2:振動時效工藝處理記錄及時效曲線。 從第 1 次時效處理的振前、振后振幅頻率 A-n 曲線對比分析,可以得到: A 位 置 : 一階共振加速度峰值 已從振前 56.2m/s2 升高到振后 67.4m/s2 ; 一階共振頻率由振 前 6 872rpm 前移到 6 806rpm。 從第 2 次時效處理的振前、振后振幅頻率 A-n 曲線對比分析,可以得到: A 位 置 : 一階共振加速度峰值 已從振前 63.6m/s2 降低到振后 61.5m/s2 ; 一階共振頻率由振 前 6 813rpm 前移到 6 772rpm。 從第 3 次時效處理的振前、振后振幅頻率 A-n 曲線對比分析,可以得到: A 位置:一階共振加速度峰值從振前 42.6m/s2 升 高 到 振 后 59.1m/s2 ; 一階共振頻率由振前 6 837rpm 前移到 6 821rpm。 根據 JB/T 10375-2002 《焊接構件振動時效工 藝參數選擇與技術要求》 的技術規定:A-n 曲線振 后共振峰發生了單項特征或組合特征的變化 (出 現振幅升高或降低、左移或右移),即可判定振動 時效有效。 由此可判定: 華安水電站擴建工程岔管通過 振動時效工藝處理是有效的。

通過目測檢查、100%磁粉探傷(MT)、100%超聲波探傷(UT)表明:在振動時效前,鋼岔管焊縫質量均符合 DL/T 5017-2007 的驗收規定; 在振動時效后,鋼岔管焊縫未見缺陷擴展(未發現裂紋)。


振動時效工藝處理
本次對重約 200t 的工件 (岔管及其相連接的主管、椎管和支管)采用“多點連續彈性支撐”墊護穩固、按“單點異頻 3 次激振”的整體振動時效消除焊接應力的工藝方案進行試驗。
試驗實施,確定將激振器固定于分岔點底部 A處內管壁上,拾振點 B 為岔支管內壁之上;設定激振 器 偏 心 號 數 8 ― 9 檔 ; 施 振 頻 率 6 772 ― 6872rpm,對工 件 施 加 8min、8min、7min(共 計 23 分鐘)3 次振動時效處理。 時效前后 A-n 曲線的共振峰均發生單項特征或組合特征的明顯變化, 振動時效判定為有效。

岔管焊接應力監測分析
在岔管振動時效前、 后進行焊接殘余應力對比測量分析表明: 振動時效前鋼岔管焊接應力水平總體較高,部分區域金屬殘余應力狀態呈“雙向拉 應 力” 分 布, 岔管焊接應力水平總體均低于0.5σs;經振動時效工藝處理,實測岔管各測點的焊接殘余應力的消除率在 38%以上, 焊接部位分子排列位錯顯著改善、殘余應力得到充分釋放,金屬發生脆性斷裂的風險解除; 時效后岔管焊接殘余應力對焊縫承受疲勞的影響是不明顯的; 振動時效達到了良好的消應效果。

結論與建議
采用 “多點連續彈性支撐、 單點異頻 3 次激振” 的工藝方案對鋼岔管實施整體振動時效消除焊接應力試驗,振動時效判定為有效。
經檢測表明:在振動時效前,鋼岔管焊縫質量均符合 DL/T 5017-2007 的驗收規定; 在振動時效后,鋼岔管焊縫未見缺陷擴展。
振動時效前、 后的岔管焊接應力監測分析表明:經振動時效工藝處理,岔管焊接殘余應力得到充分釋放,焊接部位分子排列位錯顯著改善、金屬發生脆性斷裂的風險解除; 時效后岔管焊接殘余應力對焊縫承受疲勞的影響是不明顯的; 振動時效達到了良好的消應效果。
在免水壓試驗情況下, 采取振動效應措施進行應力消除處理, 降低或勻化壓力鋼管金屬結構件的殘余應力,提高抗動載變形能力,穩定結構尺寸精度并有效防止裂紋產生, 對今后同類型壓力管道安裝具有很好的借鑒意義。

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