張文濤

（河北省水利工程局機械廠，石家莊 050031）

大型鋼岔管振動殘余應力消除技術

張文濤

（河北省水利工程局機械廠，石家莊 050031）

岔管結構復雜，由多片不規(guī)則的鋼板和較厚的月牙肋板組焊而成，焊接后岔管內(nèi)部的殘余應力較大，為保障岔管運行的可靠性，必須對焊接后的岔管進行消除殘余應力處理。介紹了殘余應力的消除技術、檢測技術及設備的配置。

鋼岔管；焊接殘余應力；振動時效；超聲波時效；應力檢測

1 工程概況

2016年初，河北省水利工程局承攬了大伙房水庫輸水（二期）抗旱應急工程管件制作標，岔管為DN3200等徑三通岔管。

根據(jù)招標文件技術要求，帶月牙肋、加強梁的岔管焊接后，做消應處理，以控制變形，減少裂紋的產(chǎn)生，消應處理后的應力殘余值不得大于材料屈服應力的50%。

2 消應前檢測

按照規(guī)范要求對岔管月牙肋與主、支管的組合焊縫，拉桿與月牙肋組合焊縫，月牙肋的對接焊縫等進行外觀檢查及無損檢測。

2.1 外觀質(zhì)量

（1）外觀不允許有裂紋、表面夾渣、表面氣孔、焊瘤、飛濺和未焊滿等缺陷。

（2）焊縫咬邊深度≤0.5mm。

（3）手工焊縫余高：壁厚δ≤工焊縫余，0～2.5mm；25＜δ≤55mm，0～3mm；δ＞50mm，0～4mm。 自動焊焊縫余高為0～4mm。

2.2 焊縫無損檢測

（1）焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測100%超聲波檢測，并作5%射線探傷復驗。

（2）焊縫及環(huán)向焊縫交叉處的丁字焊縫應進行100%射線檢驗及100%超聲波復驗。

（3）進行5%磁粉或滲透檢測。

3 消除應力法

根據(jù)岔管特點及現(xiàn)場實際條件，本項目決定采用振動時效法和超聲波時效法。

3.1 振動時效消應方法

振動時效是基于諧波共振原理，通過外加的交變應力與工件內(nèi)殘余應力疊加，使工件在較大殘余應力區(qū)產(chǎn)生局部屈服，從而引起應力松弛和殘余應力在量值上的減低。不會改變材料的機械性能，也不會引起任何材料金相組織的變化。振動效應對降低或勻化金屬結構件的殘余應力、提高抗動載變形能力、穩(wěn)定尺寸精度和防止裂紋有非常好的效果。

為了減少工件在振動過程中和地基或支撐之間的摩擦，且能夠達到最佳振動時效效果，工藝要求在振動時效前，在工件與地基間用彈性物體進行支撐，振動激振器及拾振器應鋼性地固定在被振動工件上，通過專用控制線連接主控系統(tǒng)，進行振動時效消應操作。

3.1.1 構件支撐

經(jīng)計算分析，岔管的振型為整體彎曲加局部扭轉(zhuǎn)振型。在振動過程中，為了確保岔管的穩(wěn)定性且不發(fā)生位移，支撐采用馬鞍型托架并加膠墊，防止振動時跑偏。

本工程1臺岔管共制作安裝3～5個托架，如圖1。

圖1 托架示意圖

3.1.2 激振器的裝夾

激振器對構件施加動應力，使構件產(chǎn)生共振，從而達到消除應力的作用，所以必須鋼性連接在被振構件上，并且固定在構件鋼性較強的位置。激振器固定工藝使用C型卡具對構件和激振器進行固定安裝。

3.1.3 激振點位置

根據(jù)機械振動理論，分析判斷構件可能的共振頻率及在激振頻率范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的振型，在此基礎上，選擇激振設備的頻率范圍。激振點應選擇在被振工件的波峰處（工件自由振動時振幅最大處）或附近，根據(jù)本岔管結構形式，激振點選擇在岔管加強梁位置處，易于引起諧振響應。

振動時效消應試驗根據(jù)現(xiàn)場實際工況分析確定從2個部位進行激振；1個主振點、1個副振點。主振點的激振器選擇裝夾在Ⅰ梁側下部位置，副振點的激振器選擇裝夾在Ⅱ梁側下部位置。這樣可使殘余應力均化更加徹底，達到最佳時效效果。

3.1.4 拾振器固定

拾振器應固定在遠離激振器且能反映主振頻率振型最大振幅處或附近，其方向應與振動方向一致。拾振器用來測試振動幅度，是振動時效過程中最主要的參數(shù)測試儀器，是衡量振動時效效果唯一數(shù)據(jù)。使用磁性吸盤對傳感器進行安裝，安裝位置應在構件共振時振動幅度最大的位置上。振動消應拾振器選擇固定在管口位置。

3.1.5 岔管焊接件振動時效處理

上述構件的支撐及激振器、傳感器裝卡工藝準備就緒后，再選擇激振力、確定激振頻率、激振時間，即可進行振動時效消應操作工藝。

3.2 超聲波時效消應

岔管加強梁及拉桿的焊縫采用超聲波時效儀進行時效處理。進行時效處理時，將超聲波時效儀的輸出電流調(diào)節(jié)在2A左右，使沖擊頭垂直于待處理的焊縫部位做往復運動，使待處理部位表面受到均勻的沖擊力，處理速度30～40m/h（400～650mm/min），確保時效處理效果，處理時僅需處理焊趾及熱影響區(qū)即可，每條焊縫的雙側均需處理，處理時根據(jù)板厚的情況調(diào)整相應的輸出電流。處理完成后的焊縫區(qū)表面應有均勻的超聲波時效處理線。

4 消除應力設備型號及功能參數(shù)

振動時效消應設備型號為VSR-80型多功能便攜式振動消應系統(tǒng)，單次消應最大構件300t，是應用計算機信號處理技術，融入大量實踐數(shù)據(jù)，具備全自動動應力分析、提示功能的新概念產(chǎn)品，能夠?qū)Ρ徽駝訕嫾嵤┳罴训恼駝訒r效工藝，液晶顯示器可在振動時效全過程中時時顯示所有振動時效參數(shù)，同時也可通過自帶打印機和USB接口打印或儲存振動時效特性曲線數(shù)據(jù)及所有參數(shù)。該設備防塵、防水、抗干擾，適合于各種惡劣環(huán)境下工作。

HTUIT-20B型超聲波時效儀適用于各種大、中、小型焊接件焊縫焊趾及熱影響區(qū)的殘余應力消除，包括強度1400MPa的高強鋼、裝甲鋼、鈦合金等，尤其適合高空、高濕及空間狹小的施工現(xiàn)場使用。

5 焊接殘余應力的測試

振前及振后殘余應力測試采用盲孔法和X射線法分別進行測試。

5.1 盲孔法

采用盲孔法對構件進行檢測，要求測試點材料厚度應大于鉆孔深度的4倍。檢測前用502膠把應變計粘貼在經(jīng)過拋光處理的焊縫表面，應變計的6條導線有序地連接在應力檢測儀器上，然后對應變計進行調(diào)平，調(diào)平后的應變計可以進行打孔檢測數(shù)據(jù)。BE120-2CA-K電阻應變計打孔半徑1～1.5mm，深度2.5～3mm，鉆孔后測得3個方向應變值，其主應力及方向即可按公式計算。

5.2 X射線法

采用X-350A X射線應力測定儀可以自動完成測量，并給出最終結果和部分物理參數(shù)。

6 結語

（1）岔管在先期制作、焊接過程中，嚴格按照工藝流程及預先制定的焊接工藝參數(shù)執(zhí)行，以保證所有焊縫的焊接質(zhì)量。

（2）采用盲孔法和X射線法分別進行檢測，消應處理后的應力殘余值遠遠低于材料屈服應力的50%，滿足技術及規(guī)范要求，為后期的岔管制作積累了經(jīng)驗。

［1］JB/T10375—2002，焊接構件振動時效工藝參數(shù)選擇及技術要求［S］.

［2］JB/T5926—2005，振動時效效果評定方法［S］.

［3］SL499—2010，鉆孔應變法測量殘余應力的標準測試方法［S］.

［4］SL547—2011，水工金屬結構殘余應力測試方法——X射線衍射法［S］.

Large steel bifurcation pipe residual stress eliminating vibration technology

ZHANG Wen-tao
（Hebei Province Water Conservancy Bureau Machinery Factory， Shijiazhuang 050031，China）

The structure of bifurcation pipe is complex， it is mainly made from multi-chip irregular steel sheets and crescent rib plates connected by welding.The residual stress in the bifurcation pipe after welding is very large.In order to guarantee the reliability of the bifurcation pipe operation，the residual stress must be to eliminate.This paper introduces the elimination technology of residual stress，testing technology and equipment configuration.

steel bifurcation pipe； the welding residual stress； vibration aging； ultrasonic aging； stress testing

TV732+.4 文獻標識碼：B 文章編號：1672-9900（2017）06-0014-03

2017-09-25

張文濤（1980-），男（漢族），河北獻縣人，高級工程師，主要從事水利工程管理工作，（Tel）13832331155。

尹健婷）