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水电站钢岔管焊接应力检测及振动时效消除焊接应力

更新时间:2020/12/19  点击数:292


岔管焊接应力危害分析
水电站钢岔管在制造安装过程中会产生很高的残余应力, 高者可以达到金属材料的屈服极限附近,并表现出很大的有害作用。
水电站钢岔管由于长期在水及潮湿空气、泥沙等多介质环境下运行, 残余应力的首要危害就表现为应力腐蚀(也称为应力腐蚀断裂),即金属在拉伸应力和化学介质的联合作用下并按持有机
理产生的低应力脆断现象(常用 SCC 表示)。 在水工金属结构领域, 预防应力腐蚀的最常用的工业措施就是降低残余应力和金属表面防腐蚀涂敷。
在水电站钢岔管的工程实践中, 残余应力另一直接危害则是金属结构脆性断裂。 金属脆断经常都是突然发生而且引发严重的后果 (如岔管报废),这在工程上是应该严格避免的。 防止金属脆性断裂的方法, 首先是科学合理的设计焊接细部构造。 水电站钢岔管是一种比较不利的焊接构造,所以岔管发生金属脆性断裂 (如岔管分岔部位开裂或月牙肋层状撕裂)的现象并不少见。 由此,控
制残余应力和预防初始裂纹(如焊接缺陷控制)已经是水电站钢岔管必需的制造工艺措施。
现有研究表明,焊接结构疲劳抗力的降低,更多的是由焊接缺陷、 应力集中及晶粒组织粗化所导致; 而水工金属结构更为关注的则是在交变载荷和腐蚀联合作用下所引发的腐蚀疲劳问题。

振动时效工艺方案
钢岔管振动时效在水电站安装工地引水隧洞 的现场进行。
 钢岔管的支撑固定:岔管连同椎管、与岔管连 接的部分主管及支管的管节,工件总重约 200t,结 合工程实际条件,采用“多点连续弹性支撑”,间隔 在节点处放置弹性支撑 (实 际 大 部 分 为 槽 钢 支 撑),钢岔管的支撑应以平稳为准。 本次结合工程实际条件, 钢岔管整体振动时 效消应处理工艺试验,采用“单点异频”3 次激振的 工艺处理方案, 即: 在岔管支管内底部分岔部位 (固定于 A 处)架设“激振器”进行不同激振频率的 振动时效工艺处理。 扫频:在对钢岔管进行支撑稳定后,分别把激 振器和拾振器固定在合适的位置, 调节激振器的 偏心位置,对钢岔管进行全程扫频,以获取钢岔管 的固有频率。

振动时效工艺参数选择
经扫频试振, 确定将激振器固定于分岔点底 部 A 处内管壁上,拾振点 B 为岔支管内壁之上;确 定激振器偏心号数 8―9 档; 施振频率 6 772―6 872rpm。 时效工艺参数选择详见图 2 及表 2 所示。

振动时效处理
均采用振前扫描获取时效工艺参数, 分别进 行了 8min、8min、7min 的 3 次振动时效处理。 详见 表 2:振动时效工艺处理记录及时效曲线。 从第 1 次时效处理的振前、振后振幅频率 A-n 曲线对比分析,可以得到: A 位 置 : 一阶共振加速度峰值 已从振前 56.2m/s2 升高到振后 67.4m/s2 ; 一阶共振频率由振 前 6 872rpm 前移到 6 806rpm。 从第 2 次时效处理的振前、振后振幅频率 A-n 曲线对比分析,可以得到: A 位 置 : 一阶共振加速度峰值 已从振前 63.6m/s2 降低到振后 61.5m/s2 ; 一阶共振频率由振 前 6 813rpm 前移到 6 772rpm。 从第 3 次时效处理的振前、振后振幅频率 A-n 曲线对比分析,可以得到: A 位置:一阶共振加速度峰值从振前 42.6m/s2 升 高 到 振 后 59.1m/s2 ; 一阶共振频率由振前 6 837rpm 前移到 6 821rpm。 根据 JB/T 10375-2002 《焊接构件振动时效工 艺参数选择与技术要求》 的技术规定:A-n 曲线振 后共振峰发生了单项特征或组合特征的变化 (出 现振幅升高或降低、左移或右移),即可判定振动 时效有效。 由此可判定: 华安水电站扩建工程岔管通过 振动时效工艺处理是有效的。

通过目测检查、100%磁粉探伤(MT)、100%超声波探伤(UT)表明:在振动时效前,钢岔管焊缝质量均符合 DL/T 5017-2007 的验收规定; 在振动时效后,钢岔管焊缝未见缺陷扩展(未发现裂纹)。


振动时效工艺处理
本次对重约 200t 的工件 (岔管及其相连接的主管、椎管和支管)采用“多点连续弹性支撑”垫护稳固、按“单点异频 3 次激振”的整体振动时效消除焊接应力的工艺方案进行试验。
试验实施,确定将激振器固定于分岔点底部 A处内管壁上,拾振点 B 为岔支管内壁之上;设定激振 器 偏 心 号 数 8 ― 9 档 ; 施 振 频 率 6 772 ― 6872rpm,对工 件 施 加 8min、8min、7min(共 计 23 分钟)3 次振动时效处理。 时效前后 A-n 曲线的共振峰均发生单项特征或组合特征的明显变化, 振动时效判定为有效。

岔管焊接应力监测分析
在岔管振动时效前、 后进行焊接残余应力对比测量分析表明: 振动时效前钢岔管焊接应力水平总体较高,部分区域金属残余应力状态呈“双向拉 应 力” 分 布, 岔管焊接应力水平总体均低于0.5σs;经振动时效工艺处理,实测岔管各测点的焊接残余应力的消除率在 38%以上, 焊接部位分子排列位错显著改善、残余应力得到充分释放,金属发生脆性断裂的风险解除; 时效后岔管焊接残余应力对焊缝承受疲劳的影响是不明显的; 振动时效达到了良好的消应效果。

结论与建议
采用 “多点连续弹性支撑、 单点异频 3 次激振” 的工艺方案对钢岔管实施整体振动时效消除焊接应力试验,振动时效判定为有效。
经检测表明:在振动时效前,钢岔管焊缝质量均符合 DL/T 5017-2007 的验收规定; 在振动时效后,钢岔管焊缝未见缺陷扩展。
振动时效前、 后的岔管焊接应力监测分析表明:经振动时效工艺处理,岔管焊接残余应力得到充分释放,焊接部位分子排列位错显著改善、金属发生脆性断裂的风险解除; 时效后岔管焊接残余应力对焊缝承受疲劳的影响是不明显的; 振动时效达到了良好的消应效果。
在免水压试验情况下, 采取振动效应措施进行应力消除处理, 降低或匀化压力钢管金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定结构尺寸精度并有效防止裂纹产生, 对今后同类型压力管道安装具有很好的借鉴意义。

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