大型钢岔管振动残余应力消除技术

张文涛

（河北省水利工程局机械厂，石家庄 050031）

大型钢岔管振动残余应力消除技术

张文涛

（河北省水利工程局机械厂，石家庄 050031）

岔管结构复杂，由多片不规则的钢板和较厚的月牙肋板组焊而成，焊接后岔管内部的残余应力较大，为保障岔管运行的可靠性，必须对焊接后的岔管进行消除残余应力处理。介绍了残余应力的消除技术、检测技术及设备的配置。

钢岔管；焊接残余应力；振动时效；超声波时效；应力检测

1 工程概况

2016年初，河北省水利工程局承揽了大伙房水库输水（二期）抗旱应急工程管件制作标，岔管为DN3200等径三通岔管。

根据招标文件技术要求，带月牙肋、加强梁的岔管焊接后，做消应处理，以控制变形，减少裂纹的产生，消应处理后的应力残余值不得大于材料屈服应力的50%。

2 消应前检测

按照规范要求对岔管月牙肋与主、支管的组合焊缝，拉杆与月牙肋组合焊缝，月牙肋的对接焊缝等进行外观检查及无损检测。

2.1 外观质量

（1）外观不允许有裂纹、表面夹渣、表面气孔、焊瘤、飞溅和未焊满等缺陷。

（2）焊缝咬边深度≤0.5mm。

（3）手工焊缝余高：壁厚δ≤工焊缝余，0～2.5mm；25＜δ≤55mm，0～3mm；δ＞50mm，0～4mm。 自动焊焊缝余高为0～4mm。

2.2 焊缝无损检测

（1）焊缝内部质量检测100%超声波检测，并作5%射线探伤复验。

（2）焊缝及环向焊缝交叉处的丁字焊缝应进行100%射线检验及100%超声波复验。

（3）进行5%磁粉或渗透检测。

3 消除应力法

根据岔管特点及现场实际条件，本项目决定采用振动时效法和超声波时效法。

3.1 振动时效消应方法

振动时效是基于谐波共振原理，通过外加的交变应力与工件内残余应力叠加，使工件在较大残余应力区产生局部屈服，从而引起应力松弛和残余应力在量值上的减低。不会改变材料的机械性能，也不会引起任何材料金相组织的变化。振动效应对降低或匀化金属结构件的残余应力、提高抗动载变形能力、稳定尺寸精度和防止裂纹有非常好的效果。

为了减少工件在振动过程中和地基或支撑之间的摩擦，且能够达到最佳振动时效效果，工艺要求在振动时效前，在工件与地基间用弹性物体进行支撑，振动激振器及拾振器应钢性地固定在被振动工件上，通过专用控制线连接主控系统，进行振动时效消应操作。

3.1.1 构件支撑

经计算分析，岔管的振型为整体弯曲加局部扭转振型。在振动过程中，为了确保岔管的稳定性且不发生位移，支撑采用马鞍型托架并加胶垫，防止振动时跑偏。

本工程1台岔管共制作安装3～5个托架，如图1。

图1 托架示意图

3.1.2 激振器的装夹

激振器对构件施加动应力，使构件产生共振，从而达到消除应力的作用，所以必须钢性连接在被振构件上，并且固定在构件钢性较强的位置。激振器固定工艺使用C型卡具对构件和激振器进行固定安装。

3.1.3 激振点位置

根据机械振动理论，分析判断构件可能的共振频率及在激振频率范围内可能出现的振型，在此基础上，选择激振设备的频率范围。激振点应选择在被振工件的波峰处（工件自由振动时振幅最大处）或附近，根据本岔管结构形式，激振点选择在岔管加强梁位置处，易于引起谐振响应。

振动时效消应试验根据现场实际工况分析确定从2个部位进行激振；1个主振点、1个副振点。主振点的激振器选择装夹在Ⅰ梁侧下部位置，副振点的激振器选择装夹在Ⅱ梁侧下部位置。这样可使残余应力均化更加彻底，达到最佳时效效果。

3.1.4 拾振器固定

拾振器应固定在远离激振器且能反映主振频率振型最大振幅处或附近，其方向应与振动方向一致。拾振器用来测试振动幅度，是振动时效过程中最主要的参数测试仪器，是衡量振动时效效果唯一数据。使用磁性吸盘对传感器进行安装，安装位置应在构件共振时振动幅度最大的位置上。振动消应拾振器选择固定在管口位置。

3.1.5 岔管焊接件振动时效处理

上述构件的支撑及激振器、传感器装卡工艺准备就绪后，再选择激振力、确定激振频率、激振时间，即可进行振动时效消应操作工艺。

3.2 超声波时效消应

岔管加强梁及拉杆的焊缝采用超声波时效仪进行时效处理。进行时效处理时，将超声波时效仪的输出电流调节在2A左右，使冲击头垂直于待处理的焊缝部位做往复运动，使待处理部位表面受到均匀的冲击力，处理速度30～40m/h（400～650mm/min），确保时效处理效果，处理时仅需处理焊趾及热影响区即可，每条焊缝的双侧均需处理，处理时根据板厚的情况调整相应的输出电流。处理完成后的焊缝区表面应有均匀的超声波时效处理线。

4 消除应力设备型号及功能参数

振动时效消应设备型号为VSR-80型多功能便携式振动消应系统，单次消应最大构件300t，是应用计算机信号处理技术，融入大量实践数据，具备全自动动应力分析、提示功能的新概念产品，能够对被振动构件实施最佳的振动时效工艺，液晶显示器可在振动时效全过程中时时显示所有振动时效参数，同时也可通过自带打印机和USB接口打印或储存振动时效特性曲线数据及所有参数。该设备防尘、防水、抗干扰，适合于各种恶劣环境下工作。

HTUIT-20B型超声波时效仪适用于各种大、中、小型焊接件焊缝焊趾及热影响区的残余应力消除，包括强度1400MPa的高强钢、装甲钢、钛合金等，尤其适合高空、高湿及空间狭小的施工现场使用。

5 焊接残余应力的测试

振前及振后残余应力测试采用盲孔法和X射线法分别进行测试。

5.1 盲孔法

采用盲孔法对构件进行检测，要求测试点材料厚度应大于钻孔深度的4倍。检测前用502胶把应变计粘贴在经过抛光处理的焊缝表面，应变计的6条导线有序地连接在应力检测仪器上，然后对应变计进行调平，调平后的应变计可以进行打孔检测数据。BE120-2CA-K电阻应变计打孔半径1～1.5mm，深度2.5～3mm，钻孔后测得3个方向应变值，其主应力及方向即可按公式计算。

5.2 X射线法

采用X-350A X射线应力测定仪可以自动完成测量，并给出最终结果和部分物理参数。

6 结语

（1）岔管在先期制作、焊接过程中，严格按照工艺流程及预先制定的焊接工艺参数执行，以保证所有焊缝的焊接质量。

（2）采用盲孔法和X射线法分别进行检测，消应处理后的应力残余值远远低于材料屈服应力的50%，满足技术及规范要求，为后期的岔管制作积累了经验。

［1］JB/T10375—2002，焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求［S］.

［2］JB/T5926—2005，振动时效效果评定方法［S］.

［3］SL499—2010，钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法［S］.

［4］SL547—2011，水工金属结构残余应力测试方法——X射线衍射法［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 文献标识码：B 文章编号：1672-9900（2017）06-0014-03

2017-09-25

张文涛（1980-），男（汉族），河北献县人，高级工程师，主要从事水利工程管理工作，（Tel）13832331155。

尹健婷）